UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA GEOGRÁFICA
PUESTA EN MARCHA Y OPERACIÓN DE UNA
PLANTA DE TRATAMIENTO DE LODOS
ACTIVADOS A ESCALA LABORATORIO
CLAUDIA ADELA GÓMEZ YÁÑEZ
POLONIA INGRID CABRERA DEL RÍO
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA GEOGRÁFICA
PUESTA EN MARCHA Y OPERACIÓN DE UNA PLANTA
DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS A ESCALA
LABORATORIO
TRABAJO DE TITULACIÓN PRESENTADO EN CONFORMIDAD A LOS REQUISITOS PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO DE EJECUCIÓN EN AMBIENTE
PROFESOR GUÍA: FERNANDO CORVALÁN QUIROZ
CLAUDIA ADELA GÓMEZ YÁÑEZ
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a nuestro profesor guía la oportunidad que nos dio de haber trabajado en el Laboratorio de Procesos Ambientales del Departamento, siendo las primeras memoristas en hacerlo. También agradecemos la buena disposición y consejos de María Estela Astudillo y de la gente de la empresa “Aguas y Riles” que en estos momentos opera la PTA del aeropuerto.
Claudia:
En lo personal, son varias las personas a las que quiero agradecer. Familiares y amigos cercanos, que de una u otra forma han contribuido en el desarrollo de este trabajo y en general, en mi vida. Me refiero principalmente a: Inés Yáñez y
Alamiro Gómez, mis padres, les doy las gracias por la confianza que han depositado en mi, por apoyarme siempre y por la paciencia que han tenido conmigo; Mis hermanos: Sergio, Jaime, Alan, Patricio y José Claudio; y a todos mis sobrinos y sobrinas; A mis amigas Carolina, Daniela y Marcela, por el
consuelo en los momentos difíciles...
Agradezco también en forma muy especial a la familia López de Maturana Guajardo; Rubén, María Teresa, Marisol y Marco, por el apoyo y consejo que me han brindado siempre y por todos aquellos momentos que hemos pasamos
juntos.
Por último, un afectuoso e infinito agradecimiento a la persona que contribuyó directamente a que este momento llegara, al que me ayudó y acompañó durante todos estos años....me refiero al Ing. Marco López de Maturana G.
Polonia, para ti amiga, mis mejores deseos... Gracias a todos!
Polonia:
Bastante tiempo ha transcurrido desde que entre a esta Universidad. Muchos son los recuerdos que vienen a mi mente mientras escribo estas líneas, pero sobretodo rememoro a todas aquellas personas que me tendieron su mano
ayudándome a alcanzar esta cumbre.
Primeramente agradezco profundamente a Dios que me diera vida y salud para llegar a este momento, y a mi Papito Javier que con sus palabras siempre me
dio fuerzas para seguir.
Agradezco a mis padres, mi Marcela, a mis hermanos: Francisca, Javier, Daniela y Valentina, y especialmente a mi Abuela quien siempre tuvo confianza
en que llegaría este instante.
Gracias a mis amigos: Juan, Juan Carlos, Cesar, Roció, Héctor, Gonzalo, Manuelito, Viviana y muchos otros quienes, en mi paso por esta etapa me dieron alegría, apoyo, cariño, y sabios concejos en pos de llegar a la meta hoy
alcanzada.
Quien iba a pensar que la memoria la haríamos juntas.
Imposible olvidar esa tarde que te vi, sentada en la sala de la EAO, roja, muerta de cansancio por el deportivo con el Pelao…si, tú mi súper amiga Cabe. Como
no agradecer toda la paciencia, apoyo y ayuda que me has brindado durante todo este trayecto. Gracias amiga, y espero que esta amistad tan espontánea
RESUMEN
Los modelos físicos han sido utilizados para el diseño de los sistemas a escala real o piloto. En el caso específico de los sistemas de tratamiento de lodos activados, la determinación de constantes cinéticas es una alternativa para diseñar estos sistemas de tratamientos. En este sentido en el Reactor Discontinuo (Batch) del Laboratorio de Procesos Ambientales del Departamento de Ingeniería Geográfica de la Universidad de Santiago de Chile, USACH , se ha desarrollado una investigación dirigida a la evaluación de un modelo físico a escala laboratorio, operado inicialmente con afluente de la PTA del aeropuerto de Santiago, para determinar las constantes cinéticas kd e Y , y con ello, desarrollar un Protocolo con fines académicos que contenga la metodología de operación.
Para la realización de este trabajo, se utilizó un sistema de lodos activados a escala laboratorio conformado por reactores por lotes compuesto de cuatro estanques independientes con un volumen total de 12.5 L alimentado con una dilución distinta para cada estanque, de líquido residual (afluente pretratado) y reciclo (licor mezclado provisto de biomasa aclimatada) provenientes de la PTA del aeropuerto. El sistema fue puesto en marcha, en primer lugar, determinando el coeficiente de transferencia de oxígeno de los aireadores a los
estanques, para después llevar a cabo pruebas de determinación de dos de los cuatro parámetros cinéticos necesarios para describir la reacción de degradación bacteriana.
Dentro de las actividades desarrolladas se encuentran: mediciones diarias de temperatura, pruebas de aireación, caracterización de sólidos, medición de DQO, entre otros. La información generada por estos análisis permitió visualizar el comportamiento de la biomasa frente a distintas diluciones de sustrato y la determinación a partir de lo anterior, de los parámetros cinéticos que resultaron ser: Y = 1.9662 y kd = 0.2481 (d -1 ). En cuanto a la caracterización hecha de los
sólidos al inicio y término de la prueba de aireación de 24 horas, los porcentajes en remoción que se lograron, en promedio, fueron de: SST 14%, SSV 8.6% y SSNV 24% . La remoción en DQO lograda en cada reactor, fue del orden del 36%.
ÍNDICE
Página CAPÍTULO 1. I NTRODUCCIÓN 1.1 Antecedentes Generales 1 1.2 Objetivo General 9 1.3 Objetivos Específicos 9 1.4Metodología 9CAPÍTULO 2. P RINCIPIOS I NVOLUCRADOS E N E L P ROCESO D E
T RATAMIENTO B IOLÓGICO D EL AGUA R ESIDUAL
2.1 Procesos de Tratamiento 11
2.2 Elementos de Microbiología 13
2.2.1 Microorganismos Importantes 14
2.3 Crecimiento Bacteriano 17
2.4 Oxidación Bacteriana 20
2.5 Cinética de Crecimiento Bacteriano 22
2.5.1 Balance de Masa para Biomasa y Sustrato 26
2.5.2 Determinación de Parámetros Cinéticos 28
2.6 Proceso de Lodos Activados 30
2.6.1 Descripción del Proceso 30
2.6.2 Microbiología del Proceso 2.6.3 Análisis del Proceso: Reactor de Mezcla 32
Completa con Recirculación 33
2.6.4 Diseño del Proceso 36
2.6.5 Tipos de Procesos y Modificaciones 42
2.7 Transferencia de Gases 52
2.7.1 Modelo Estándar ASCE de Transferencia de
Masa de Oxígeno en Sistemas de Aireación 59
CAPÍTULO 3. T RABAJO E XPERIMENTAL
3.1 Reactor Batch 64
3.1.1 Ventajas y Desventajas de Lodos Activados en
Flujo Batch 67
3.1.1.1 Ventajas 67
3.1.1.2 Desventajas 68
3.2 Equipos y Materiales de Laboratorio 69
3.3 Trabajo en Laboratorio 73
3.3.1 Definición y Caracterización del Agua de
Prueba 73
3.3.2 Puesta en Marcha del Reactor 75
3.3.3 Determinación de Coeficientes de
Transferencia de 76
Oxígeno
3.3.4 Determinación de Parámetros Cinéticos 81
CAPÍTULO 4. R ESULTADOS E XPERIMENTALES Y ANÁLISIS
4.1 Coeficiente de Transferencia de Oxígeno (kLa) 88
4.2 Sólidos Suspendidos 94
4.3 Demanda Química de Oxígeno (DQO) 100
4.4 Parámetros Cinéticos 104 CAPÍTULO 5. P ROTOCOLO P ROPUESTO 5.1 Introducción 107 5.2 Objetivo 108 5.3 Base Teórica 108 5.4 Materiales y Equipos 116 5.5 Procedimientos 117 5.6 Informe de Resultados 121
CAPÍTULO 6. C ONCLUSIONES 123
CAPÍTULO 7. B IBLIOGRAFÍA 127
ANEXO. 129
Anexo 1. Glosario 129
ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 2.1 “Principales Procesos Biológicos Utilizados en el Tratamiento 12 del Agua Residual”
Tabla 2.2 “Cuadro comparativo entre el Proceso de Lodos Activados y 49sus Modificaciones” Tabla 2.3 “Parámetros de Diseño para los Procesos de Lodos 51
Activados”
Tabla 2.4 “Descripción de Dispositivos Comúnmente Utilizados
para la Aireación del Agua Residual” 53
Tabla 3.1 “Valores de DQO” 85
Tabla 4.1 “Valores de k La, Reactor Batch a Escala Laboratorio” 92
Tabla 4.2 “Datos Necesarios para Determinar kd e Y , Reactor Batch
a Escala Laboratorio” 104
ÍNDICE DE FIGURAS Y GRÁFICOS
Página Figura 1.1 “Diagrama de Flujo Típico de una Planta de Tratamiento
De Agua” 6
Figura 2.1 “Curva Típica de Crecimiento Bacteriano” 18
Figura 2.2 “Diagrama del Proceso de Lodos Activados” 31
Figura 2.3 “Diagrama del Reactor Continuo con Recirculación” 33
Figura 2.4 “Proceso Convencional de Lodos Activados” 43
Figura 2.5 “Lodos Activados con Aireación Graduada” 44
Figura 2.6 “Lodos Activados de Aireación con Alimentación Escalonada”45 Figura 2.7 “Proceso de Lodos Activados de Contacto y Estabilización” 47 Figuras 2.8 “Dispositivos de Aireación Utilizados para la Transferencia de
Oxígeno” 55
Figuras 3.1 “Ciclos Operacionales de un Reactor Batch (SBR)” 66
Figura 3.2 “ Vista Frontal y Lateral de los Reactores Batch” 69
Figura 3.3 “PTAS del Aeropuerto Arturo Merino Benítez” 75
Gráfico 4.1 “DO versus Tiempo”, Protocolo Nº 3 89
Gráfico 4.2 “DO versus Tiempo”, Protocolo Nº 5 90
Gráfico 4.3 “DO versus Tiempo”, Protocolo Nº 10 (Prueba 2) 91
Gráfico 4.5 “SST” 95
Gráfico 4.6 “SSV” 96
Gráfico 4.7 “SSNV” 97
Gráfico 4.8 “DQO” 101
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES GENERALES
(1)El suministro de agua potable y la respectiva recolección de aguas servidas, se encuentra principalmente bajo la responsabilidad operativa del Estado a través de doce Empresas Sanitarias, que actúan como Empresas CORFO. El Ministerio de Obras Públicas (MOP), por su parte ha llevado a cabo durante los últimos años un programa de suministro de agua potable rural, cuyo alto porcentaje de cobertura actual, ha llevado consigo la necesidad de implementar sistemas de tratamiento adecuados para la población.
En cuanto al agua potable, a Diciembre de 2001 el conjunto de Empresas Sanitarias presenta una cobertura urbana de 99,7%, prestando servicios de distribución a una población estimada de 13.29 millones de habitantes de un total de 13.34 millones que se estima residen en los centros urbanos a esa fecha. Con respecto al acceso a redes de alcantarillado, la cobertura urbana de alcantarillado corresponde a un 93.8%, que equivale a una población saneada de 12.44 millones de habitantes; es decir, el 7% de la población de los centros urbanos habita o reside en inmuebles sin conexión al sistema de alcantarillado.
La cobertura en tratamiento para la población nacional abastecida de agua potable, sin embargo, es muy baja, y se estima en un 39.4%. Esta situación ha significado un evidente retraso, por lo cual las autoridades han iniciado los estudios para determinar las modalidades de tratamiento más adecuadas y sus costos asociados.
Recientes antecedentes del gobierno, aseguran que para los próximos cinco años, las trece Empresas Sanitarias filiales de CORFO, necesitarán una suma cercana a los US$ 1.772 millones para alcanzar el 100% de cobertura en el abastecimiento de agua potable y el 70% en el tratamiento de las aguas servidas en Chile. Esta inversión se financiará principalmente a través de los mecanismos propios de que disponen las empresas y capitales privados.
De todas las regiones del país, la Región Metropolitana es la que presenta los mayores porcentajes de cobertura en agua potable, alcantarillado y tratamiento; sin embargo experimenta un déficit en el tratamiento de sus aguas residuales, déficit que Aguas Andinas (ex EMOS), la Sanitaria más importante de la región, intenta revertir tras la reciente implementación de la planta El Trebal y próximamente la habilitación de las plantas La Farfana y Los Nogales, además de la futura construcción de trece plantas en la periferia de Santiago.
Las ciudades costeras por su parte, también presentan déficit notables, por lo que se ha iniciado un plan de saneamiento que consiste en la construcción de emisarios submarinos, previo un tratamiento preliminar de las aguas para la eliminación de una parte importante de sólidos. A la fecha ya se han ejecutado emisarios submarinos en las ciudades de Arica, Iquique, La Serena, Algarrobo, y se encuentran en proyecto de construcción quince más, entre los cuales se cuentan las localidades de Mejillones, Taltal, Puerto Montt, Cartagena, El Quisco, Zapallar, Lota, San Antonio, entre otros.
En cuanto a las técnicas de tratamiento, a fines de 2001 había en el país operando 115 sistemas de tratamiento de aguas servidas, constituidos principalmente por: 43 lagunas de estabilización, 22 lagunas aireadas, 17 emisarios submarinos, 27 instalaciones de lodos activados, 4 zanjas de oxidación, 2 fosas sépticas y un sistema de biofiltro y una planta físico química. De ello se desprende lo siguiente: las lagunas de estabilización representan el 37% de los sistemas de tratamiento, las lagunas aireadas el 19%, los emisarios submarinos el 15% y los lodos activados el 23%. Además, durante el año 2001, entraron en operación 12 nuevos sistemas de tratamientos de aguas servidas en las regiones: IV, VIII, IX, X y RM, todas ellas bajo la modalidad de lodos activados.
El programa de inversiones en obras de tratamiento de las aguas recolectadas por los sistemas de alcantarillado está en pleno desarrollo. La cobertura de tratamiento en términos de población, en 1998 calculada por la SISS fue de 16,7 %, en 1999 fue de 19 %, en el 2000 el porcentaje se eleva a un 20.9 %, a futuro, las metas de cobertura son de 83.6 % para el año 2005 y de 98,7 % para el año 2010. Lograr estas metas es el gran desafío del sector sanitario chileno y hacia eso apunta la incorporación de capitales privados a las empresas estatales.
Tratamiento de aguas residuales
Los métodos de tratamiento de las aguas residuales, se han desarrollado ante la necesidad de velar por la salud pública y evitar las condiciones adversas, que pudiera ocasionar la descarga de dichas aguas servidas sobre cursos receptores naturales dañando al medio natural.
Con el transcurso de los años los objetivos del tratamiento de las aguas han ido cambiando, así en los años 70, el tratamiento iba orientado a la eliminación de materia en suspensión, el tratamiento de la materia orgánica biodegradable y la eliminación de organismos patógenos.
En la década de los 80, los objetivos del tratamiento de las aguas se centraron en el aumento del nivel de exigencia para la reducción de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), sólidos en suspensión y para los organismos patógenos. Además se comenzó a considerar la conveniencia de eliminar nutrientes como el nitrógeno y el fósforo.
Como consecuencia del avance científico y de la mayor información sobre técnicas de tratamiento para aguas residuales, el objetivo actual se comenzó a focalizar en los problemas de salud relacionados con la descarga al medio ambiente de productos químicos tóxicos y elementos trazas responsables de problemas sanitarios. Uno de los objetivos planteados en esta época, es la eliminación de compuestos orgánicos refractarios y de los metales pesados.
Métodos de tratamiento de aguas residuales
Los contaminantes presentes en el agua residual pueden eliminarse con procesos químicos, físicos y biológicos. Los tipos de tratamiento se pueden clasificar en reactores biológicos y operaciones unitarias, dentro de las cuales se tienen operaciones unitarias físicas, químicas y físico-químicas.
• Operaciones unitarias físicas: corresponden a aquellos métodos de tratamiento en los cuales predomina la acción de fuerzas físicas. Se tiene el desbaste, mezclado, sedimentación y flotación.
• Procesos unitarios químicos: corresponden a aquellos métodos de tratamiento en los cuales la eliminación o conservación de los contaminantes se consigue con la adición de productos químicos o al desarrollo de ciertas reacciones químicas. Se tiene la precipitación, adsorción, neutralización, óxido-reducción, entre otros.
• Procesos unitarios físico-químicos: corresponde a la combinación de procesos químicos y operaciones físicas. Se tiene por ejemplo, la coagulación-floculación, flotación y filtración, entre otros.
• Reactores biológicos: sistema de tratamiento en el cual la eliminación de contaminantes se lleva a cabo mediante reacciones realizadas por la actividad biológica contenida en el reactor. Su principal aplicación es la eliminación de las sustancias orgánicas biodegradables presentes en el
agua residual en forma tanto coloidal como en disolución. Estas sustancias se convierten en gases, que se liberan a la atmósfera y en tejido celular biológico, eliminable por sedimentación.
Funcionamiento de una PTAS
Figura 1.1 Diagrama de Flujo Típico de una Planta de Tratamiento de Agua
a) Línea de agua: una PTAS contempla en sus instalaciones principalmente cuatro niveles de tratamiento de las aguas, dependiendo del grado de purificación que se quiera (Figura 1.1):
• Pre-tratamiento: Se compone por lo general de un proceso de desbaste donde se eliminan los sólidos de gran tamaño y restos de impurezas, un desarenador donde se extraen gravas y arenas; y desengrasado, proceso de separación de grasas y flotantes.
Rejas Decantador
primario
Reactor Sedimentador Estanque cloración
Purga
Purga
Afluente
• Tratamiento primario: proceso mediante el cual se separa por medios físicos las partículas en suspensión no retenidas en el pre-tratamiento.
• Tratamiento secundario: se trata de favorecer el desarrollo de bacterias aeróbicas que tras alimentarse de la materia orgánica, desprendan agua y CO2. Si las colonias bacterianas se desarrollan sobre flóculos en suspensión en el agua, la técnica se denomina lodos activados; y si es sobre masas materiales de gran superficie, se denomina lechos bacterianos.
• Tratamiento terciario: consiste en la realización de una serie de procesos destinados a conseguir una calidad del efluente superior a la del tratamiento secundario. Tales procesos son: desinfección, reducción de la DBO, reducción de fósforo y nitrógeno, etc.
b) Línea de lodos: El tratamiento del lodo, al igual que el del agua, depende de lo que se quiere lograr, del origen del lodo y del tratamiento o proceso del cual provenga. Sin embargo, los procesos más usuales empleados para la disminución y eliminación de los lodos son:
• Procesos físicos: corresponden al espesamiento y desaguado del lodo. Con dichas operaciones físicas el lodo reduce su volumen y humedad.
• Procesos químicos: se caracterizan por la adición al lodo de elementos para generar su estabilización. La estabilización se lleva a cabo para
reducir la presencia de patógenos, eliminar los olores y eliminar e inhibir su potencial putrefacción, entre otros.
• Procesos biológicos: implican la acción de microorganismos. El proceso biológico más utilizado es la digestión anaerobia, cuyo propósito es lograr disminuir el volumen del lodo y la descomposición de la materia orgánica muy putrescible hasta formar compuestos orgánicos e inorgánicos relativamente estables; otro proceso biológico usado es la digestión aerobia, que consiste en la eliminación de la fracción biodegradable en tiempos muy cortos.
• Procesos térmicos: consisten en someter al lodo a temperaturas extremas que inhiban o eliminen la acción de microorganismos, además de destruir elementos dañinos. Ejemplo de este proceso es la incineración, que implica una combustión a altas temperaturas, donde el lodo pasa a ser ceniza.
• Desinfección: corresponde a un proceso adicional realizado para la reutilización y aplicación en el suelo. Algunos procesos que permiten controlar el contacto con los organismos patógenos presentes son: la pasteurización, acondicionamiento térmico, secado térmico, pirolisis, tratamiento elevado de pH, adición de cloro, desinfección con productos químicos y desinfección por radiación de alta energía.
1.2 OBJETIVO GENERAL
Poner en marcha y operar una Planta de Tratamiento Biológico a escala laboratorio tipo Batch, en el Laboratorio de Procesos Ambientales del Departamento de Ingeniería Geográfica.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Comprender los fundamentos teóricos del proceso de remoción de biomasa en suspensión
- Montar y preparar la experiencia y los equipos - Poner en marcha la planta por Lotes
- Operar la planta
1.4 METODOLOGÍA
- Recopilar antecedentes en literatura sobre plantas de tratamiento de aguas servidas
- Definir el tipo de agua a tratar, considerando su naturaleza variable en composición
- Realizar pruebas de oxigenación y de sólidos suspendidos - Determinar parámetros cinéticos en el reactor Batch
- Análisis de resultados
CAPÍTULO 2. PRINCIPIOS INVOLUCRADOS EN EL
TRATAMIENTO BIOLÓGICO DEL AGUA RESIDUAL
Los principales objetivos que persigue el tratamiento biológico del agua residual son la coagulación y eliminación de los sólidos coloidales no sedimentables, y la estabilización de la materia orgánica; éstos se consiguen utilizando una variedad de microorganismos principalmente bacterias (2).
Los microorganismos se usan para convertir la materia orgánica carbonácea coloidal y disuelta, en tejido celular y gas. Dado que el tejido celular tiene un peso específico mayor al del agua, puede ser eliminado del líquido mediante decantación.
2.1 PROCESOS DE TRATAMIENTO
Los principales procesos biológicos de tratamiento son (2): procesos aerobios, procesos anóxicos, procesos anaerobios y una combinación de los procesos aerobios con los anóxicos o anaerobios. Estos procesos a su vez se subdividen dependiendo si el tratamiento se lleva a cabo en sistemas de cultivo en suspensión, de cultivo fijo o en combinaciones de los mismos. La tabla 2.1 muestra con más detalle los tipos de tratamiento y su uso.
Las principales aplicaciones de los procesos antes mencionados son: eliminación de la materia carbonácea presente en el agua residual, nitrificación, desnitrificación y estabilización (2).
Tabla 2.1
Principales Procesos Biológicos Utilizados en el Tratamiento del Agua Residual
Tipo
Nombre
Uso
a) Procesos aerobios:
Cultivo en suspensión Lodos activados Lagunas aireadas Digestión aerobia
Estanque aerobio de alta carga Eliminación de materia orgánica carbonácea y
nitrificación Cultivo fijo Filtros percoladores
Filtros de pretratamiento Biodiscos
Reactores de lecho compacto b) Procesos anaerobios:
Cultivo en suspensión Digestión anaerobia
Proceso anaerobio de contacto Estabilización y eliminación de la materia orgánica carbonácea Cultivo fijo Filtro anaerobio
Estanques anaerobios c) Procesos anóxicos:
Cultivo en suspensión Desnitrificación con cultivo en suspensión Cultivo fijo Desnitrificación con cultivo fijo
d) Procesos aerobios anóxicos o anaerobios:
Cultivo en suspensión Fase única nitrificación- desnitrificación
2.2 ELEMENTOS DE MICROBIOLOGÍA
El entendimiento de la forma, estructura y actividad bioquímica de los microorganismos es básico para el diseño de un proceso de tratamiento biológico, o en la selección del tipo de proceso a utilizar.
Los microorganismos se clasifican en tres grandes grupos (2): protistas, vegetal y animal. Estos tres reinos son semejantes por cuanto la célula es la unidad de vida en todos ellos. El reino animal se compone de rotíferos y crustáceos, ambos multicelulares con tejidos diferenciados. El reino vegetal por su parte se compone de musgos, helechos y plantas de semillas; al igual que el reino anterior, se caracteriza por presentar organismos multicelulares con tejidos diferenciados. Por último, el reino protista se subdivide en superior e inferior. Los protistas superiores se componen de algas, protozoos, hongos y mohos, los protistas inferiores se componen de algas verdiazules y bacterias. Este reino se caracteriza por presentar organismos unicelulares o multicelulares sin tejidos diferenciados.
Los microorganismos a su vez pueden clasificarse según la manera de obtención de energía y carbono en: autótrofos fotosintéticos los cuales capturan energía de la luz y carbono del CO2, autótrofos quimiosintéticos los que
CO2, y heterótrofos que obtienen energía de la oxido reducción orgánica y
carbono desde el carbono orgánico presente en el medio (4).
A su vez, los microorganismos presentan metabolismos aerobios y anaerobios según su capacidad para utilizar oxígeno. Los organismos aerobios sólo pueden existir en presencia de oxígeno molecular, los anaerobios existen en ausencia total de oxígeno. Los organismos facultativos tienen la capacidad de sobrevivir con o sin oxígeno libre.
2.2.1 MICROORGANISMOS IMPORTANTES
Los microorganismos más significativos para los procesos de tratamiento son: bacterias, hongos, algas, protozoos, rotíferos, crustáceos y virus (4).
Bacterias. Las bacterias son
protistas unicelulares.
Consumen alimentos solubles y, por lo general, se encuentran
donde haya alimento y
humedad. Se componen en un 80% de agua y el 20% restante de materia seca, de la cual el 90% es orgánica
La temperatura y el pH juegan un papel vital en la vida y muerte de las bacterias. Por ello, la velocidad de reacción para los microorganismos aumenta con la temperatura. Según el rango de temperatura en que se desarrollan mejor, las bacterias se clasifican en criófilas o psicrófilas, mesófilas y termófilas. En cuanto al pH, éste es un factor clave para el crecimiento de los organismos. La mayoría de éstos no pueden tolerar niveles de pH por encima de 9.5 o por debajo de 4.0; por lo general, el pH óptimo para el crecimiento se encuentra entre 6.5 y 7.5 (4).
Hongos. Los hongos son protistas heterótrofos, no fotosintéticos y
multicelulares. Se clasifican
generalmente por su modo de
reproducción en: sexuales o
asexuales, por escisión, gemación o formación de esporas. La mayoría de los hongos son aerobios estrictos. Pueden crecer con muy poca humedad y toleran ambientes con pH muy bajos, siendo su pH óptimo aproximadamente 5.6. Otra característica de esta especie es que demandan poco nitrógeno, por lo que los hace muy importantes para el tratamiento de las aguas residuales industriales y en la formación de compost a partir de residuos orgánicos (4).
Algas. Las algas son protistas
unicelulares o multicelulares,
autótrofos y fotosintéticos. Producen malos olores y sabores desagradables cuando se encuentran en medios
acuáticos. En estanques de
estabilización, son un elemento valioso porque producen oxígeno a través del mecanismo de fotosíntesis. Las algas al igual que otros microorganismos, requieren compuestos inorgánicos para reproducirse. A parte del anhídrido carbónico, los principales nutrientes necesarios son el nitrógeno y el fósforo (4).
Protozoos. Los protozoos son
protistas unicelulares microscópicos. La mayoría son heterótrofos aerobios. Suelen consumir bacterias para obtener energía, por lo que se les considera como purificadores de los efluentes de procesos biológicos de tratamientos de aguas residuales al consumir bacterias y partículas orgánicas. Suelen dividirse en cinco grupos: sarcodina, mastigophora, sporozoa, infusoria y suctoria (4).
Rotíferos. El rotífero es un animal aerobio, heterótrofo y multicelular. Son muy eficaces al consumir bacterias dispersas y floculadas, así como también pequeñas partículas de materia orgánica. Su presencia en un efluente indica un proceso aerobio de purificación biológica muy eficiente (4).
Crustáceos. Al igual que el rotífero, el crustáceo es un animal aerobio, heterótrofo y multicelular, pero tiene un cuerpo duro o coraza. Los crustáceos son una importante fuente de alimentación para peces. No existen en cantidades apreciables en los sistemas de tratamiento biológico; su presencia en el efluente indica que éste se encuentra bajo de materia orgánica y rico en oxígeno disuelto (4).
Rotífero Euchanis
Virus. El virus es la estructura biológica más pequeña, sólo apreciable a través de microscopios. Son parásitos obligados y como tales necesitan de alguien de quien poder vivir, de este modo, se clasifican según el huésped que infectan. En el caso del tratamiento de las aguas residuales domésticas, para asegurar el debido control de los virus, es necesario la cloración (4).
2.3 CRECIMIENTO BACTERIANO
El control eficiente en los tratamientos biológicos de las aguas residuales se basa en el conocimiento de los principios básicos que gobiernan el crecimiento de los microorganismos, en este caso, crecimiento de las bacterias.
Las bacterias pueden reproducirse por fisión binaria, de modo sexual o por gemación. Por lo general, se reproducen por fisión binaria, es decir, por división. La célula original se transforma en dos nuevos organismos (4). El tiempo requerido para cada división se denomina tiempo de generación, y puede variar desde días a menos de veinte minutos. Es importante resaltar que las bacterias no se dividen indefinidamente, lo hacen en la medida que existan condiciones ambientales favorables, tales como concentración del sustrato, concentración de nutrientes, el tamaño del sistema en el cual se encuentran, etc. El crecimiento bacteriano se puede evaluar de dos formas (2):
a) Crecimiento en términos del número de bacterias: Inicialmente se inocula un pequeño número de organismos en un medio de cultivo y se registra el número de organismos viables en función del tiempo. La forma general se muestra en la figura 2.1.
El modelo de crecimiento basado en el número de bacterias tiene cuatro fases diferenciadas:
1. Fase de retardo. Tras la adición de un inóculo a un medio de cultivo, la fase de retardo representa el tiempo requerido para que los organismos se aclimaten a sus nuevas condiciones ambientales. 2. Fase de crecimiento logarítmico. Durante este período, la célula se
divide a una velocidad determinada por su tiempo de generación y su capacidad de procesar alimento.
3. Fase estacionaria. En este caso la población permanece constante debido a: que las células o bacterias han agotado el sustrato o nutrientes necesarios para el crecimiento, o, que el crecimiento de nuevas células se nivela por la muerte de células viejas.
4. Fase de muerte logarítmica. Durante esta fase, la tasa de muerte de las bacterias excede la producción de células nuevas. La tasa de muerte por lo general es en función de la población viable y de las condiciones ambientales.
b) Crecimiento en términos de la masa de las bacterias: El modelo de crecimiento se refiere a la variación de la masa de microorganismos con respecto al tiempo. Se subdivide en tres fases:
1. Fase de crecimiento logarítmico. La tasa de metabolismo y crecimiento es solamente en función de la capacidad de los microorganismos en procesar el sustrato.
2. Fase de crecimiento decreciente. La tasa de crecimiento y la masa de bacterias disminuye por la limitación en la disponibilidad de alimento. 3. Fase endógena. Los microorganismos se ven forzados a metabolizar
su propio protoplasma sin reposición del mismo, ya que la concentración de alimento disponible se encuentra en un mínimo. En esta fase puede suceder el fenómeno de lisis, según el cual los nutrientes que se encuentran en las células muertas se difunden, proporcionando alimento a las células vivas existentes.
2.4 OXIDACIÓN BACTERIANA
La conversión de materia orgánica en productos gaseosos finales y tejido celular, puede llevarse a cabo por vía aerobia, anaerobia o facultativa; utilizando sistemas de cultivo en suspensión o fijo. En la conversión aerobia de materia orgánica, una parte de ésta se oxida dando lugar a productos finales. Este proceso de conversión es necesario pues de allí se obtiene energía para la síntesis de nuevo tejido celular. En ausencia de materia orgánica, el tejido celular será utilizado endógenamente, produciendo productos gaseosos finales y materia residual. En la mayoría de los sistemas de tratamiento biológico estos tres procesos tienen lugar simultáneamente (2).
Para un proceso aerobio los tres sucesos antes mencionados pueden representarse estequiométricamente de la siguiente manera:
Reacción para la oxidación:
COHNS + O2+ BacteriasCO2+ NH3+ Otros productos finales + Energía
Reacción de síntesis:
COHNS + O2+ Bacterias + EnergíaC5H7NO2
Respiración endógena:
C5H7NO2+ 5 O2 5 CO2+ NH3+ 2 H2O + Energía
Donde,
COHNS: representa la materia orgánica, y C5H7NO2: representa el tejido celular.
2.5 CINÉTICA DE CRECIMIENTO BIOLÓGICO (2)
A fin de asegurar que los microorganismos crezcan, se les debe permitir que permanezcan en el sistema el tiempo suficiente bajo condiciones ambientales favorables. Este período depende de la tasa de crecimiento, la cual está en relación directa con la tasa a la que metabolizan o utilizan el residuo.
La tasa de crecimiento para un cultivo discontinuo se representa por:
=
dX µ X (2.1)
dt
Donde,
µ : representa la tasa de crecimiento específico en unidad de tiempo
–1
X : concentración de microorganismos en unidad de masa / unidad de volumen
dt dX
: tasa de crecimiento bacteriano en unidad de masa / unidad de volumen * tiempo
Si uno de los elementos esenciales (sustrato o nutrientes) para el crecimiento estuvieran presentes sólo en cantidades limitadas, el microorganismo cesaría su crecimiento y se agotaría. En cultivos dentro de reactores de alimentación continua se da esta situación de crecimiento limitado. El efecto de un sustrato o nutriente limitante puede definirse adecuadamente por medio de la expresión propuesta por Monod:
S ks S m× + =µ µ (2.2) Donde,
µ : tasa de crecimiento específico en unidad de tiempo–1 m
µ : tasa de crecimiento específico máxima en unidad de tiempo –1
S: concentración del sustrato limitante del crecimiento en unidad de masa / unidad de volumen
ks : concentración de sustrato para la cual µ =0.5µ m, en unidad de masa / unidad de volumen.
En el sistema de cultivo de alimentación discontinua, una parte del sustrato se transforma en nuevas células y otra se oxida y da origen a productos finales inorgánicos y orgánicos. Dado que la cantidad de nuevas células producidas es la misma para un sustrato determinado (2), la relación entre el grado de utilización del sustrato y la tasa de crecimiento es:
rsu Y dt dX =− ⋅ (2.3) Donde, dX
Y: coeficiente de rendimiento
rsu : tasa de utilización de sustrato en unidad de masa / unidad de volumen * tiempo
Reemplazando las ecuaciones 2.2 y 2.3 en 2.1 se obtiene:
( ks S) Y S X m rsu + ⋅ ⋅ ⋅ − = µ (2.4)
Si se sustituye el término µ m / Y por k, definido como la tasa máxima de utilización del sustrato por unidad de masa de microorganismos, se obtiene:
S ks S X k rsu + ⋅ ⋅ − = (2.5)
En los sistemas bacterianos utilizados en el tratamiento del agua residual, la distribución de edades de las células es tal que no todas las células del sistema están en la fase de crecimiento. Por lo tanto, la expresión de la tasa de crecimiento debe corregirse para tener en cuenta la energía necesaria para el mantenimiento celular (2). Otros factores que además deben considerarse son la muerte y depredación de las mismas bacterias. Estos procesos se conocen como descomposición endógena y se expresan de la siguiente manera:
X kd
Donde,
rd: representa la tasa de velocidad en la descomposición endógena
kd: coeficiente de la tasa de descomposición endógena, en unidad de tiempo –1 X : concentración de células en unidad de masa / unidad de volumen.
Reemplazando la ecuación 2.6 en 2.4 y ordenando se obtiene la siguiente expresión para la tasa neta de crecimiento:
X kd S ks S X m dt dX − ⋅ + ⋅ ⋅ = µ ' (2.7) X kd rsu Y dt dX ' =− ⋅ − ⋅ (2.8) Donde, dt
dX ': tasa neta de crecimiento bacteriano en unidad de masa / volumen
*tiempo
La expresión correspondiente para la tasa neta de crecimiento específico viene dada por: kd S ks S m − + ⋅ =µ µ ' (2.9) Donde,
Los efectos de la respiración endógena sobre la producción neta de bacterias se tiene en cuenta al definir una producción observada (2) como sigue:
( )
rsu dt dX
Yobs=− / ' (2.10)
2.5.1 BALANCES DE MASA DE MICROORGANISMOS Y SUSTRATO
Como forma de aplicar la cinética al crecimiento biológico, se considerará un proceso de tratamiento aerobio llevado a cabo en un reactor de mezcla completa sin recirculación.
El balance de masa de microorganismos en el reactor continuo es en forma simplificada:
Acumulación = Entrada - Salida + Crecimiento neto En forma simbólica se escribe:
dt dX V X Q Xo Q V dt dX = ⋅ − ⋅ + ' (2.11) Donde, dt dX
: tasa de crecimiento de microorganismos medida en términos de masa, en unidad de masa de SSV (sólidos suspendidos volátiles) / unidad de volumen * tiempo
V : volumen del reactor
Q: caudal en unidad de volumen / tiempo
X 0 : concentración de microorganismos en el afluente en unidad de masa de
SSV / unidad de volumen
X : concentración de microorganismos en el reactor en unidad de masa de SSV / unidad de volumen
dt dX '
: tasa neta de crecimiento bacteriano en unidad de masa de SSV/ volumen * tiempo
Si se sustituye el valor de ( dX / ' dt ) de la ecuación 2.7 en 2.11, el resultado es:
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ − + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ − ⋅ = ⋅ kd X S ks S X m V X Q Xo Q V dt dX µ (2.12)
Si se supone que la concentración de microorganismos en el afluente puede despreciarse, y que prevalecen las condiciones de estado estacionario ( dX / dt )
= 0, la ecuación 2.12 puede simplificarse:
kd S ks S m V Q − + ⋅ = µ (2.13)
El balance de masa para el sustrato es el siguiente: V S ks S X k S Q So Q V dt dS ⋅ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⋅ ⋅ − + ⋅ − ⋅ = (2.14)
En estado estacionario ( dS / dt ) = 0, la ecuación resultante es:
0 = +⋅ ⋅ ⋅ − − S ks S X k S So ϑ (2.15) Donde, Q V / =
ϑ , tiempo de retención hidráulico en días
2.5.2 DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS CINÉTICOS
Para determinar los coeficientes Y, k, ks y kd, se usan reactores a escala laboratorio o sistemas a escala de planta piloto.
En la determinación de estos coeficientes, el procedimiento usual consiste en hacer funcionar los reactores dentro de un intervalo de concentraciones de sustrato del afluente, además de seleccionarse el tiempo de retención hidráulico. Utilizando los datos obtenidos en condiciones estacionarias, se pueden determinar los valores medios de θ , S 0 , S, X y r’ su . Introduciendo la
S ks S X k S So rsu + ⋅ ⋅ − = − − = ϑ (2.16)
Dividiendo por X se obtiene:
X S So S ks S k ⋅ − = + ⋅ ϑ (2.17)
La forma lineal de la ecuación 2.17, obtenida tomando su inversa, es:
k S k ks S So X = ⋅1 +1 − ⋅ϑ (2.18)
Los valores de ks y k pueden determinarse representando gráficamente el término [X θ /(S 0 -S)] respecto a (1/S). Los valores de Y y de kd pueden
determinarse utilizando la siguiente ecuación:
kd rsu X Y − ⋅ − = ϑ 1 (2.19)
Representando (1/ θ ) respecto a (- rsu / X). La pendiente de la línea recta que
pasa por los puntos correspondientes a los datos experimentales es igual a Y, y la ordenada en el origen es igual a kd.
También puede utilizarse un quimiostato para determinar los coeficientes cinéticos. Las tasas de crecimiento se determinan por mediciones de la turbiedad del afluente. Estos aparatos se usan normalmente para determinaciones con cultivos puros.
2.6 PROCESO DE LODOS ACTIVADOS
Este proceso fue desarrollado en Inglaterra en 1914 por Andern y Lockett (11) y llamado así porque suponía la producción de una masa activada de microorganismos capaz de estabilizar un residuo por vía aerobia. En la actualidad se utilizan muchas versiones del proceso original, pero todas ellas son fundamentalmente análogos.
2.6.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
El tratamiento biológico de aguas residuales mediante el proceso de lodos activados se lleva a cabo, normalmente, utilizando un diagrama de flujo tal como el que se muestra en la figura 2.2.
El residuo acuoso se introduce en un reactor donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. El contenido del reactor se denomina líquido de mezcla. En el reactor, el cultivo bacteriano lleva a cabo la conversión de la materia orgánica.
El ambiente aerobio en el reactor se consigue mediante el uso de difusores o aireadores mecánicos u otros sistemas adecuados, que a su vez, sirven para mantener el líquido de mezcla en un régimen de homogeneización completa. Tras un período determinado de tiempo, la mezcla de las nuevas células con las viejas se conduce a un estanque de sedimentación donde las células se separan del agua residual tratada. Una parte de las células sedimentadas es recirculada para mantener la concentración deseada de organismos en el reactor, mientras que otra es purgada del sistema.
2.6.2 MICROBIOLOGÍA DEL PROCESO
En la naturaleza, el papel de las bacterias es descomponer la materia orgánica producida por organismos vivientes. En el proceso de lodos activados, las bacterias son los microorganismos más importantes, ya que son causantes de la descomposición de la materia orgánica del afluente. En el reactor, gran parte de la materia orgánica del agua residual es utilizada por las bacterias facultativas o aerobias con el fin de obtener energía para el crecimiento celular (2).
Sólo una parte del residuo original es verdaderamente oxidado a compuestos de bajo contenido energético, tales como NO3, SO4 y CO2; El resto es
sintetizado en materia celular.
Las bacterias en el proceso de lodos activados incluyen miembros de los géneros (2): Pseudomonas, Zoogloea, Flavobacterium, Nocardia, Nitrosomas, Nitrobacter, Sphaerotilus, Begiatoa, etc.
Mientras las bacterias degradan la materia orgánica del afluente, las actividades metabólicas de otros microorganismos son igualmente importantes en el sistema de lodos activados. Por ejemplo, los protozoos y rotíferos, actúan como depuradores de los efluentes, debido a que consumen cualquier partícula biológica pequeña que no haya sedimentado.
Del mismo modo que es importante que las bacterias descompongan el residuo orgánico tan rápido como sea posible, también lo es que formen un floculo adecuado, puesto que ello es un requisito previo para la separación de los sólidos biológicos en el estanque de sedimentación.
2.6.3 ANÁLISIS DEL PROCESO: REACTOR DE MEZCLA COMPLETA CON RECIRCULACIÓN
En este sistema, el contenido del reactor se encuentra completamente mezclado, y se supone que no hay microorganismos en el agua residual a tratar. El sistema incluye una unidad en la que sedimentan las células del reactor y son posteriormente recirculadas al mismo.
En el desarrollo del modelo cinético para este sistema se supone: que la estabilización de los residuos por parte de los microorganismos se produce únicamente en el reactor; y, que el volumen utilizado para calcular el tiempo medio de retención celular para el sistema incluye solamente el volumen del
El estanque de sedimentación sirve como depósito desde el que recirculan los sólidos para mantener un nivel de sólidos dado en el estanque de aireación.
El tiempo de retención hidráulico para el sistema,θ s, se define como:
Q Vs s=
θ (2.20)
Donde,
Vs : volumen del reactor más el volumen del estanque de sedimentación Q: caudal afluente, en unidad de volumen / tiempo
El tiempo de retención hidráulico para el reactor, θ , se define como:
Q V
=
θ (2.21)
Donde,
V: volumen del reactor
Para el sistema de mezcla completa con recirculación, el tiempo medio de retención celular, θ c, es:
( Q Qw) Xe X Qw X V c ⋅ − + ⋅ ⋅ = θ (2.22)
Donde,
Qw: caudal de líquido que contiene las células biológicas a purgar del sistema Xe : concentración de microorganismos en el efluente de la unidad de sedimentación
Se puede hacer un balance de masas para los microorganismos en el sistema total de la siguiente manera:
En forma simplificada:
Acumulación = Entrada - Salida + Crecimiento neto En forma simbólica: ( ) [ ] dt dX V Xe Qw Q X Qw Xo Q V dt dX ' ⋅ + ⋅ − + ⋅ − ⋅ = ⋅ (2.23)
Para determinar la tasa de utilización específica U , debe conocerse el alimento utilizado y la masa de microorganismos efectivos en la utilización. El alimento utilizado puede evaluarse determinando la diferencia entre DBO5 o la DQO del
afluente y del efluente (2).
El parámetro más comúnmente usado como medida de los sólidos biológicos es la cantidad de sólidos suspendidos volátiles presentes en la unidad de tratamiento.
2.6.4 DISEÑO DEL PROCESO
Los factores a tener en cuenta en el diseño de un proceso de lodos activados son (2): criterios de carga, selección del tipo de reactor, producción de lodo, transferencia y necesidad de oxigeno, necesidad de nutrientes, exigencias ambientales, separación de las fases sólida-líquida y características del efluente.
a) Criterios de carga
Los dos parámetros más utilizados son la relación alimento-microorganismos F/M y el tiempo medio de retención celular θ c.
La relación alimento-microorganismo se define:
X So M F ⋅ = θ / (2.24) Donde, F / M: relación alimento-microorganismos en d -1
So: concentración de DBO o DQO en el agua a tratar en gr/m3
θ : tiempo de detención hidráulico en el estanque de aireación en días (d)
X: concentración de sólidos suspendidos volátiles en el estanque de aireación, en gr/m3
La correspondencia entre la relación alimento-microorganismos y el grado de utilización específica U es:
U = (F / M) E (2.25)
100 Donde,
E : eficiencia del proceso, %
El tiempo medio de retención celular θ c, puede definirse con cualquiera de las dos siguientes relaciones, dependiendo del volumen utilizado:
Definición basada en el volumen del estanque de aireación (2):
Xe Qe Xw Qw X V c ⋅ + ⋅ ⋅ = θ (2.26) Donde,
θ c: tiempo medio de retención celular basado en el volumen del estanque de aireación, en días (d)
V : volumen del estanque de aireación en m3
X : concentración de sólidos suspendidos volátiles en el estanque de aireación, en gr/m3
Qw : caudal de lodo a purgar en m3 /d
Xe : concentración de sólidos suspendidos volátiles en el efluente tratado, gr/m3
Definición basada en el volumen total del sistema (2):
θ ct = Xt (2.27)
Qw Xw + Qe Xe
Donde,
θ ct : tiempo medio de retención celular basado en el volumen del sistema total, en días
Xt: masa total de sólidos suspendidos volátiles del sistema, incluyendo los sólidos del estanque de aireación, del estanque de sedimentación y los existentes en las instalaciones de recirculación del lodo.
b) Selección del tipo de reactor:
Los factores operacionales a considerar para la selección son: cinética de reacción que gobierna el proceso de tratamiento, transferencia y necesidad de oxigeno, naturaleza del agua a tratar, condiciones ambientales locales y costos de construcción, operación y mantención.
Los dos tipos de reactores que se usan generalmente son el reactor de mezcla completa y el reactor de flujo pistón. Ambos presentan similitudes en los tiempos de retención hidráulica.
c) Producción de lodo y control del proceso:
Es importante conocer la cantidad de lodo producido diariamente, ya que ello afectará al diseño de las instalaciones de eliminación y manipulación del lodo. La cantidad de lodo que debe purgarse diariamente puede estimarse por medio de la ecuación (2):
P = Yobs Q (S o -S) (10 3 g/Kg)-1 (2.28)
Donde,
P : peso neto del lodo en exceso producido diariamente expresado en términos de sólidos suspendidos volátiles, Kg/d
Yobs : producción observada, g/g
La producción observada puede calcularse de la siguiente manera (2):
( ) ( )c ó ct kd Y Yobs θ θ ⋅ + = 1 (2.29)
El uso de θ c ó θ ct de la ecuación, depende de que en el análisis se consideren los sólidos presentes en el estanque de aireación, o los sólidos en el sistema total (2).
d) Oxígeno necesario y su transferencia:
El oxígeno teóricamente necesario puede determinarse conociendo la DBO5del
agua residual y la cantidad de organismos purgados del sistema diariamente. El suministro de aire debe adecuarse para: satisfacer la DBO del agua a tratar mediante la siguiente relación, sólo para material carbonáceo (2): 1.5 Kg DBO5
eliminado / día = Kg O2 /día; satisfacer la respiración endógena de los
organismos del lodo; conseguir una mezcla adecuada y mantener una concentración mínima de oxígeno disuelto de 1 a 2 mg/L en la totalidad del volumen del estanque de aireación.
e) Necesidad de nutrientes:
Cualquier sistema biológico deberá disponer de nutrientes en las cantidades adecuadas. Los principales nutrientes requeridos son nitrógeno y fósforo. Basándose en que la composición del tejido celular es C5H7NO2, se desprende
entonces que se requiere aproximadamente de un 12.4% en peso de nitrógeno y de 2.5% en peso de fósforo (2). Estas cantidades se basan en la masa de organismos producidos por día. Estos son valores típicos, no cantidades fijas porque se ha demostrado que la distribución porcentual del nitrógeno y fósforo en el tejido celular varía con la edad de la célula y las condiciones ambientales.
Dado que la cantidad total de nutrientes dependerá de la masa neta de organismos producidos, en procesos que funcionen con grandes tiempos medios de retención celular, la necesidad de nutrientes será menor. Otros nutrientes requeridos como iones inorgánicos, en cantidades sustanciales por la mayoría de los sistemas biológicos son (2): sodio, potasio, calcio, magnesio, entre otros; a nivel de traza se requieren iones inorgánicos de: fierro, cobre, manganeso, zinc, molibdeno, cobalto, etc.
f) Requisitos ambientales:
Los factores ambientales más importantes son la temperatura y el pH. La temperatura afecta directamente la cinética de degradación y crecimiento bacteriano, por lo tanto es un factor importante a considerar. En cuanto al pH, su control puede ser necesario en aguas residuales de baja alcalinidad, en la digestión aerobia del lodo y en la nitrificación (2). Una baja alcalinidad en el agua residual no es suficiente para tamponar la solución, por ello la oxidación del amoníaco a nitrato puede producir un descenso del pH en el licor mezclado, perjudicando la síntesis de tejido celular.
g) Separación de sólidos:
Las instalaciones utilizadas para separar los sólidos biológicos del agua residual tratada son las encargadas de la recirculación del lodo hacia el estanque de aireación. Sin estas instalaciones, el proceso de lodos activados no funcionaría correctamente.
h) Características del efluente:
El contenido orgánico es un parámetro principal de la calidad del efluente. Este contenido orgánico suele componerse de: materia orgánica biodegradable soluble, materia orgánica suspendida y materia orgánica no biodegradable.
2.6.5 TIPOS DE PROCESOS Y MODIFICACIONES
El proceso de lodos activados es muy flexible y puede adaptarse a casi cualquier tipo de problema relativo al tratamiento biológico de aguas residuales.
Proceso convencional. El proceso convencional de lodos activados consiste en un estanque de aireación, un clarificador secundario y una línea de retorno del lodo (figura 2.4). La purga del lodo se puede realizar indistintamente desde la conducción del líquido de mezcla o desde la del retorno del lodo. El modelo
de flujo es del tipo pistón con recirculación celular. Tanto el agua residual afluente sedimentada como el lodo recirculado entran en el estanque por un extremo y son aireados durante un período de unas seis horas. Ambos son mezclados por la acción de la aireación mecánica o por difusores de aire, que permanece constante conforme el líquido de mezcla se desplaza a lo largo del estanque. Durante este período se produce la adsorción, coagulación-floculación y oxidación de la materia orgánica. El líquido de mezcla se hace sedimentar en el estanque de sedimentación y el lodo es recirculado en una proporción de aproximadamente el 25-50% del caudal afluente.
Aireación graduada. El objetivo que persigue la aireación graduada es hacer coincidir la cantidad de aire suministrada a la demanda de los microorganismos, conforme el líquido atraviesa el estanque de aireación. La aireación graduada afecta sólo a la disposición de los difusores en el estanque de aireación y a la cantidad de aire consumido (figura 2.5). Su uso está muy extendido, y se trata de una modificación del proceso convencional.
La demanda de oxígeno es muy grande en la entrada del estanque de aireación donde el agua residual sedimentada y el lodo recirculado entran en contacto por primera vez. Los difusores se colocan a pequeños intervalos iguales para lograr una elevada tasa de oxigenación y satisfacer así la demanda. A medida que el líquido de mezcla atraviesa el estanque de aireación, tiene lugar la síntesis de nuevas células, aumentando el número de microorganismos y disminuyendo la concentración de alimento disponible. Ello da como resultado un menor valor de la relación alimento-microorganismos y un descenso en la demanda de oxígeno. El espaciamiento entre los difusores se aumenta hacia la salida del estanque a fin de reducir la tasa de oxigenación. La menor oxigenación significa que se necesita menos aire, por lo que se reducirá el tamaño de los aireadores y con ello disminuirán los costes iniciales y de operación.
Mezcla completa. El proceso de mezcla completa intenta imitar el régimen hidráulico existente en un reactor agitado mecánicamente. El agua residual sedimentada del afluente y el lodo recirculado se introducen en diversos puntos del estanque de aireación a lo largo de un canal central. El líquido de mezcla es
aireado conforme pasa a través del estanque de aireación. El efluente de éste es recogido y sedimentado en el estanque de sedimentación.
La carga orgánica y la demanda de oxígeno son uniformes de uno a otro extremo del estanque de aireación. El líquido de mezcla al ir atravesando el estanque desde la entrada hasta el canal efluente se mezcla completamente por medio de la aireación mecánica o difusores de aire.
Aireación con alimentación escalonada. El proceso de aireación con alimentación escalonada es una modificación del proceso de lodos activados en el que se introduce el agua residual en distintos puntos del estanque de aireación para igualar la relación alimento-microorganismo en todo el estanque, disminuyendo con ello la demanda de oxígeno (figura 2.6).
El estanque de aireación se subdivide por medio de unos deflectores en cuatro o más canales paralelos. Cada canal es una fase individual y las distintas fases se conectan entre si en serie. El lodo recirculado entra en la primera fase del estanque de aireación, junto con parte del agua residual sedimentada.
El sistema de conducciones esta dispuesto de tal manera que en cada fase se introduce agua residual del mismo estanque de aireación. La introducción del agua residual en muchos puntos consigue que el lodo tenga elevadas
propiedades de adsorción, de forma que la materia orgánica soluble es eliminada en un período de contacto relativamente corto. Por lo tanto, son posibles mayores cargas de DBO por metro cúbico de volumen del estanque de aireación.
Aireación modificada. El diagrama de flujo de este método es similar al del método anterior, sin embargo la diferencia entre ambos radica en que la aireación modificada emplea tiempos de aireación más cortos generalmente de 1.5 a 3 horas, y una relación elevada de alimento-microorganismos. La eliminación de DBO resultante se encuentra dentro del intervalo 60-75%, así pues, el proceso no es aconsejable cuando se desee obtener un efluente de alta calidad.
Contacto y estabilización. Este proceso se desarrolló para aprovechar las propiedades de absorción del lodo. Se ha postulado que la eliminación de la DBO tiene lugar en dos etapas en el proceso de lodos activados (figura 2.7). La primera es la fase de absorción que requiere de 20 a 40 minutos. Durante esta fase, se absorben en el lodo la mayor parte de las materias orgánicas coloidales. La segunda fase, la oxidación, tiene lugar seguidamente y las materias orgánicas absorbidas son metabólicamente asimiladas. En los procesos de lodos activados hasta ahora mencionados, estas dos fases se desarrollan en un solo estanque, pero en el de contacto y estabilización tienen lugar en estanques diferentes.
El agua residual sedimentada se mezcla con el lodo recirculado y es aireada en un estanque de contacto durante 30 a 90 minutos. Durante dicho período, las materias orgánicas son absorbidas por el floculo del lodo. El lodo se separa a continuación del efluente tratado por sedimentación, y el lodo recirculado es aireado de 3 a 6 horas en un estanque de aireación. Durante este período, las materias orgánicas absorbidas se utilizan para la producción de energía y de nuevas células.
El volumen de aireación necesario es aproximadamente el 50% del de una planta de aireación convencional o graduada. Es, por tanto posible doblar la capacidad de una planta convencional existente acondicionándola para su uso por contacto y estabilización.
Aireación prolongada. Este proceso funciona en la fase de respiración endógena de la curva de crecimiento, la cual necesita una carga orgánica relativamente baja y un largo período de aireación. Por ello suele aplicarse sólo a pequeñas plantas de tratamiento, de capacidad inferior a 3800 m3 /d.
Este proceso se utiliza mucho en plantas prefabricadas en escuelas, departamentos, etc. Aunque no se prevé la eliminación del lodo por separado, puede purgarse cuando exista exceso de sólidos. Cuando se realiza la purga del lodo, a continuación suele haber una digestión aerobia seguida por deshidratación en canchas de secado al aire libre. Se prescinde en este proceso de sedimentación primaria a fin de simplificar el tratamiento y eliminación del lodo.
Proceso Carrousel (Zanja de Oxidación). En este sistema se emplean aireadores mecánicos montados verticalmente para proporcionar oxígeno y al mismo tiempo inferir una velocidad horizontal suficiente al líquido para evitar que los sólidos sedimenten en los canales de aireación. En la mayoría de sus
aplicaciones, los estanques de sedimentación secundarios son las únicas instalaciones adicionales a los canales de aireación. El lodo sedimentado es retornado desde los estanques de sedimentación a los canales de aireación. El exceso de lodo es purgado periódicamente.
Aireación de alta carga. Se trata de una modificación en la que las altas concentraciones de sólidos suspendidos del licor mezclado (SSLM), están combinadas con elevadas cargas volumétricas. Esta combinación permite altas relaciones alimento-microorganismos y prolongados tiempos de retención celular. Mediante el uso de aireadores de turbina se puede conseguir el grado de mezcla adecuado para efectuar la transferencia de oxígeno y controlar el tamaño del fóculo.
Sistema de oxígeno puro. Recientemente se ha reconsiderado el uso del oxígeno puro como sustituto del aire en el proceso de lodos activados. En su aplicación los estanques de aireación están cubiertos y el oxígeno que se introduce en los mismos es recirculado.
A continuación, en la tabla 2.2 se presenta un cuadro comparativo entre el proceso de lodos activos y sus modificaciones. Luego en la tabla 2.3 se muestran los parámetros de diseño característicos para los procesos de lodos
Proceso Convencional Estanque de aireaciónClarificador secundario Línea de retorno de lodo
Ambos ingresan juntos por
un extremo del estanque Se realiza en todo en forma const duración es de 6 ho Aireación Graduada Al final del estanque
produce una menor relación alimento- microorganismo
El proceso esta gr mayor a menor inte
Mezcla Completa Se introducen en diferentes puntos del estanque
Aireación con alimentación escalonada Estanque de aireación subdividido mediante deflectores formando canales paralelos llamados fases
El lodo recirculado entra a la primera fase con una parte del agua residual sedimentada. En la siguiente fase entra agua residual del mismo estanque de aireación
Se introduce el s distintos puntos de de aireación
Aireación Modificada Presenta una relación muy elevada de alimento-microorganismos
Utiliza tiempos de más cortos que e anterior, estos son horas.
Contacto y
Estabilización Estanque para el contactoentre sustrato y lodo, y estanque de estabilización por separado
Ingresan juntos al estanque, pero la fase de absorción y oxidación se producen por separado. El lodo recirculado es aireado de 3 a 6 horas en el estanque de aireación. Se airea en el es contacto durante minutos.
Aireación Prolongada Concentración de sustrato
relativamente bajo Largos periodos de
Proceso Carrousel El lodo es retornado desde los estanques de sedimentación hasta los canales de aireación. Aireación de Alta
Carga Alta microorganismo con altarelación alimento-retención celular
Sistema de Oxigeno
Puro Estanque de aireacióncubiertos Cambia el uso deoxigeno puro, s oxigeno recirculado
Tabla 2.3 Parámetros de diseño para los procesos de lodos activados
Modificación
del Proceso c(d) F/M DBO5 kg
aplicada kg SSVLM*dia Carga volumétrica kg de DBO5 aplicada/m3*d SSLM (mg/L) V*Q(horas) Qr/Q Convencional 5-15 0.2-0.4 0.3-0.6 1500-3000 4-8 0.25-0.5 Aireación graduada 5-15 0.2-0.4 0.3-0.6 1500-3000 4-8 0.25-0.5 Reactor de mezcla completa 5-15 0.2-0.6 0.8-2.0 3000-6000 3-5 0.25-1.0 Aireación por alimentación escalonada 5-15 0.2-0.4 0.6-1.0 2000-3500 3-5 0.25-0.75 Aireación modificada 0.2-0.5 1.5-5.0 1.2-2.4 200-500 1.5-3.0 0.05-0.15 Contacto y estabilización 5-15 0.2-0.6 1.0-1.2 (1000-3000)a (4000-10000)b (0.5-1.0)a (3-6) b 0.25-1.0 Aireación prolongada 20-30 0.05-0.15 0.1-0.4 3000-6000 18-36 0.75-1.50 Aireación de alta carga 5-10 0.4-1.5 1.6-1.6 4000-10000 0.5-2.0 1.0-5.0 Sistemas de oxigeno puro 8-20 0.25-1.0 1.6-3.3 6000-8000 1.0-3.0 0.25-0.5
Referencia: Metcalf y Eddy ”Ingeniería Sanitaria”, 1995, Pág. 532 a: unidad de contacto
2.7 TRANSFERENCIA DE GASES
La transferencia de gases puede definirse como el proceso por el cual el gas es transferido de una fase a otra, generalmente de la fase gaseosa a la líquida (2). La aplicación más común de la transferencia de gases en el campo del tratamiento del agua residual consiste en la transferencia de oxígeno en la etapa de tratamiento biológico.
Dada la baja solubilidad del oxígeno y la consecuente baja velocidad de transferencia del mismo (2), ocurre que a través de las interfases aire-superficie del agua no penetra suficiente oxígeno para cubrir la demanda del tratamiento aerobio, por lo que para transferir las grandes cantidades de oxígeno necesarias deben crearse interfases adicionales como el suministro de los gases por medio de burbujas. Los sistemas de aireación más comúnmente usados se describen en la tabla 2.4 y se ilustran en la figura 2.8 (2).
En las plantas de tratamiento de aguas residuales, la aireación a base de burbujas sumergidas se realiza, en la mayoría de los casos, dispensando burbujas de aire en el líquido a profundidades de hasta 10 metros. Los sistemas de aireación incluyen placas y tubos porosos, tubos perforados y diversas configuraciones de difusores metálicos y plásticos. También pueden usarse aparatos de cizalladura hidráulica para crear pequeñas burbujas al hacer chocar
el flujo del líquido contra un orificio fraccionando las burbujas de aire en otras de menor tamaño. Los mezcladores de turbina pueden usarse para dispersar las burbujas de aire introducidas bajo el centro de la turbina.
En el método alternativo para la introducción de grandes cantidades de oxígeno, se utilizan aireadores de superficie para exponer el líquido a la atmósfera. Los aireadores mecánicos consisten, generalmente, en turbinas de baja o alta velocidad o en unidades flotantes de alta velocidad que giran en la superficie del líquido, parcialmente sumergidas. Estos aireadores se proyectan tanto para mezclar el líquido en el estanque como para exponerlo a la atmósfera en forma de pequeñas gotas.
Tabla 2.4
Descripción de Dispositivos Comúnmente Utilizados para la Aireación del Agua Residual
Clasificación Descripción Uso o
aplicación
Sumergido:
Sistema de burbujas finas Burbujas generadas con placas Todo proceso de lodos y tubos porosos cerámicos activados
Sistema e burbujas medias Burbujas generadas con tubos Todo proceso de lodos cubiertos con telas o fundas de activados
plástico
Sistema de burbuja gruesa Burbujas generadas con orificios, Todo proceso de lodos inyectores y toberas, o placas de activados
