Lodo activado

El tratamiento de la materia nitrogenada o fosfórica comprende la adición de un compartimento anóxico dentro del tanque de aireación para realizar el proceso de nitrificación-desnitrificación de manera más eficiente. Primero, el amoníaco se oxida a nitrito, que luego se convierte en nitrato en condiciones aeróbicas (compartimento de aireación). Posteriormente, las bacterias facultativas reducen el nitrato a nitrógeno gaseoso en condiciones anóxicas (compartimento anóxico). Además, los organismos utilizados para la captación de fósforo (organismos acumuladores de polifosfato) son más eficientes en condiciones anóxicas. Estos microorganismos acumulan grandes cantidades de fosfatos en sus células y se sedimentan en el clarificador secundario. El lodo sedimentado se elimina como lodo activado residual o se reutiliza en el tanque de aireación como lodo activado de retorno. Parte del lodo debe recircularse siempre a los tanques de aireación para mantener una población adecuada de organismos.

El rendimiento de los organismos acumuladores de polifosfato (PAO) se reduce entre un 70 y un 80 % en condiciones aeróbicas. Si bien el fósforo puede eliminarse antes del tanque de aireación mediante precipitación química (añadiendo iones metálicos como calcio, aluminio o hierro), la eliminación biológica del fósforo resulta más económica debido al ahorro de productos químicos.

El proceso implica la introducción de aire u oxígeno en una mezcla de aguas residuales o aguas residuales industriales (aguas residuales ) filtradas y tratadas primariamente (aguas residuales) combinadas con organismos para desarrollar un flóculo biológico que reduce el contenido orgánico de las aguas residuales . Este material, que en lodos sanos es un flóculo marrón, está compuesto principalmente por bacterias saprófitas, pero también tiene un importante componente de flora protozoaria compuesta principalmente por amebas , espirotricos , peritricos, incluidos vorticélidos y una variedad de otras especies filtradoras. Otros constituyentes importantes incluyen rotíferos móviles y sedentarios . En lodos activados mal gestionados, puede desarrollarse una variedad de bacterias filamentosas mucilaginosas , incluidas Sphaerotilus natans , Gordonia , ^{[ 5 ]} y otros microorganismos, que producen un lodo que es difícil de sedimentar y puede resultar en que la capa de lodo se decante sobre los vertederos en el tanque de sedimentación para contaminar gravemente la calidad del efluente final. Este material suele describirse como hongos de aguas residuales, pero las verdaderas comunidades fúngicas son relativamente poco comunes.

La combinación de aguas residuales y biomasa biológica se conoce comúnmente como licor mixto . En todas las plantas de lodos activados, una vez que las aguas residuales han recibido el tratamiento suficiente, el licor mixto sobrante se descarga en tanques de sedimentación y el sobrenadante tratado se envía para un tratamiento adicional antes de su descarga. Parte del material sedimentado, el lodo , se recircula al inicio del sistema de aireación para resembrar las nuevas aguas residuales que ingresan al tanque. Esta fracción del flóculo se denomina lodo activado de retorno (RAS).

El espacio necesario para una planta de tratamiento de aguas residuales puede reducirse utilizando un biorreactor de membrana para eliminar parte de las aguas residuales del licor mixto antes del tratamiento. Esto da como resultado un producto residual más concentrado que posteriormente puede tratarse mediante el proceso de lodos activados.

Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales utilizan bombas axiales para transferir el licor mixto nitrificado desde la zona de aireación a la zona anóxica para su desnitrificación. Estas bombas suelen denominarse bombas de recirculación interna de licor mixto (bombas IMLR). Las aguas residuales brutas, el lodo activado recirculado (RAS) y el licor mixto nitrificado se mezclan mediante mezcladores sumergibles en las zonas anóxicas para lograr la desnitrificación.

El lodo activado es también el nombre que recibe el material biológico activo producido por las plantas de lodos activados. El lodo sobrante se denomina "lodo activado excedente" o "lodo activado residual" y se retira del proceso de tratamiento para mantener en equilibrio la relación "alimento/biomasa" (A/M) (donde biomasa se refiere al lodo activado). Este lodo residual se suele mezclar con el lodo primario procedente de los clarificadores primarios y se somete a un tratamiento adicional , por ejemplo, mediante digestión anaeróbica , seguido de espesamiento, deshidratación, compostaje y aplicación en suelos.

La cantidad de lodos residuales producidos en el proceso de lodos activados es directamente proporcional a la cantidad de aguas residuales tratadas. La producción total de lodos consiste en la suma de los lodos primarios de los tanques de sedimentación primaria y los lodos activados residuales de los biorreactores. El proceso de lodos activados produce entre 70 y 100 gramos por metro cúbico (1,9-2,7 oz/ yd³) de lodos activados residuales (es decir, gramos de sólidos secos producidos por metro cúbico de aguas residuales tratadas). Se considera que 80 gramos por metro cúbico (2,2 oz/yd³ ) es un valor típico. ^{[ 6 ]} Además, se producen entre 110 y 170 gramos por metro cúbico (3,0-4,6 oz/yd³ ) de lodos primarios en los tanques de sedimentación primaria que utilizan la mayoría, aunque no todas, las configuraciones del proceso de lodos activados. ^{[ 6 ]}      

El método general de control de procesos consiste en monitorear el nivel de manto de lodo, el SVI (Índice de Volumen de Lodo), el MCRT (Tiempo Medio de Residencia Celular), la relación F/M (Alimento a Microorganismo), así como la biota del lodo activado y los principales nutrientes OD ( Oxígeno Disuelto ), nitrógeno , fosfato , DBO ( Demanda Bioquímica de Oxígeno ) y DQO ​​( Demanda Química de Oxígeno ). En el sistema reactor/aireador y clarificador, el manto de lodo se mide desde el fondo del clarificador hasta el nivel de sólidos sedimentados en la columna de agua del clarificador; en plantas grandes, esto se puede hacer hasta tres veces al día.

El SVI es el volumen de lodo sedimentado ocupado por una masa dada de sólidos de lodo seco. Se calcula dividiendo el volumen de lodo sedimentado en una muestra de licor mixto, medido en mililitros por litro de muestra (después de 30 minutos de sedimentación), por el MLSS (Sólidos Suspendidos en Licor Mixto), medido en gramos por litro. ^{[ 7 ] [ 8 ]} El MCRT es la masa total (en kilogramos o libras) de sólidos suspendidos en licor mixto en el aireador y clarificador dividida por el caudal másico (en kilogramos/libras por día) de sólidos suspendidos en licor mixto que salen como WAS y efluente final. ^{[ 7 ] [ 8 ]} El F/M es la relación entre el alimento alimentado a los microorganismos cada día y la masa de microorganismos mantenida bajo aireación. Específicamente, es la cantidad de DBO alimentada al aireador (en kilogramos/libras por día) dividida por la cantidad (en kilogramos o libras) de sólidos suspendidos volátiles de licor mixto (MLVSS) bajo aireación. Nota: Algunas referencias usan MLSS (sólidos suspendidos de licor mixto) por conveniencia, pero MLVSS se considera más preciso para la medición de microorganismos. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Nuevamente, por conveniencia, generalmente se usa DQO, en lugar de DBO, ya que los resultados de DBO tardan cinco días.

Para asegurar una buena sedimentación bacteriana y evitar problemas de sedimentación causados ​​por bacterias filamentosas, las plantas que utilizan aire atmosférico como fuente de oxígeno deben mantener un nivel de oxígeno disuelto (OD) de aproximadamente 2 mg/L en el tanque de aireación. En sistemas de oxígeno puro, los niveles de OD suelen estar entre 4 y 10 mg/L. Los operadores deben monitorear el tanque para detectar bacterias con bajo OD, como S. natans, tipo 1701 y H. hydrossis, que indican condiciones de bajo OD mediante una elevada turbidez del efluente y lodos activados oscuros con olores desagradables. Muchas plantas cuentan con equipos de monitoreo en línea que miden y registran continuamente los niveles de OD en puntos específicos dentro del tanque de aireación. Estos analizadores en línea envían datos al sistema SCADA y permiten el control automático del sistema de aireación para mantener un nivel de OD predeterminado. Ya sea generado automáticamente o tomado manualmente, el monitoreo regular es necesario para favorecer los organismos que se sedimentan bien en lugar de los filamentosos. Sin embargo, el funcionamiento del sistema de aireación implica encontrar un equilibrio entre el oxígeno suficiente para un tratamiento adecuado y el costo energético, que representa aproximadamente el 90% del costo total del tratamiento. ^{[ 9 ]}

Con base en estos métodos de control, la cantidad de sólidos sedimentados en el licor mixto puede variarse mediante el desecho de lodos activados (WAS) o el retorno de lodos activados (RAS). El retorno de lodos activados está diseñado para reciclar una porción de los lodos activados del clarificador secundario de vuelta al tanque de aireación. Generalmente incluye una bomba que aspira dicha porción. La línea RAS se diseña considerando el potencial de obstrucción, sedimentación y otros problemas relacionados que pueden afectar el flujo de lodos activados de regreso al tanque de aireación. Esta línea debe manejar el flujo requerido por la planta y debe diseñarse para minimizar el riesgo de sedimentación o acumulación de sólidos.

El amonio puede tener un efecto tóxico en los organismos acuáticos. La nitrificación también tiene lugar en los cuerpos de agua, lo que provoca la disminución del oxígeno. Además, el nitrato y el amonio son nutrientes eutrofizantes (fertilizantes) que pueden dañar los cuerpos de agua. Por estas razones, la nitrificación y, en muchos casos, la eliminación del nitrógeno son necesarias.

Para la eliminación del nitrógeno se requieren dos pasos especiales:

a) Nitrificación: Oxidación del nitrógeno amoniacal y del nitrógeno orgánicamente ligado a nitrato. La nitrificación es muy sensible a los inhibidores y puede provocar un valor de pH en aguas con baja capacidad tampón. ^{[ 10 ]}

La nitrificación se produce en los siguientes pasos:

1. ${\displaystyle \mathrm {\ NH_{4}^{+}+1.5\ O_{2}\longrightarrow \ NO_{2}^{-}+2H^{+}+H_{2}O+Energía} }$
2. ${\displaystyle \mathrm {\ NO_{2}^{-}+0.5\ O_{2}\longrightarrow \ NO_{3}^{-}+Energía} }$

Esto da como resultado:

${\displaystyle \mathrm {\ NH_{4}^{+}+2\ O_{2}\longrightarrow \ NO_{3}^{-}+2H^{+}+H_{2}O+Energía} }$

La nitrificación está asociada a la producción de ácido (H+). Esto supone una presión sobre la capacidad amortiguadora del agua o puede producirse un cambio en el valor del pH, lo que perjudica el proceso.

b) Desnitrificación: Reducción del nitrógeno nítrico a nitrógeno molecular, que se libera de las aguas residuales a la atmósfera. Este proceso lo llevan a cabo microorganismos comunes en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, estos solo utilizan el nitrato como aceptor de electrones si no hay oxígeno disuelto presente.

${\displaystyle \mathrm {\ 2\ NO_{3}^{-}+2\ H^{+}+10\ H\longrightarrow \ N_{2}+6\ H_{2}O} }$

Para que se produzca la desnitrificación en el proceso de lodos activados, debe estar presente una fuente de electrones, un reductor, capaz de reducir suficiente nitrato a N₂ _. Si el agua residual bruta contiene poco sustrato, este puede añadirse artificialmente. Además, la desnitrificación corrige el cambio en la concentración de H⁺ (variación del pH) que se produce durante la nitrificación. Esto es especialmente importante en aguas con baja capacidad tampón.

La nitrificación y la desnitrificación presentan considerables contradicciones en cuanto a las condiciones ambientales requeridas. La nitrificación requiere oxígeno y CO₂ _. La desnitrificación solo se produce en ausencia de oxígeno disuelto y con un suministro suficiente de sustancias oxidables.

Existe una amplia gama de plantas compactas, que suelen prestar servicio a pequeñas comunidades o plantas industriales que utilizan procesos de tratamiento híbridos, a menudo con lodos aerobios para tratar las aguas residuales. En estas plantas, se puede omitir la etapa de sedimentación primaria. Se crea un flóculo biótico que proporciona el sustrato necesario. Las plantas compactas son diseñadas y fabricadas por empresas de ingeniería especializadas con dimensiones que permiten su transporte al lugar de trabajo por vías públicas, generalmente de 3,7 x 3,7 metros (12 pies x 12 pies) . La longitud varía según la capacidad, y las plantas más grandes se fabrican en piezas y se sueldan en el lugar. Se prefiere el acero a los materiales sintéticos (por ejemplo, plástico) por su durabilidad. Las plantas compactas suelen ser variantes de la aireación extendida , para promover el enfoque de "instalar y olvidar" necesario para pequeñas comunidades sin personal operativo dedicado. Existen diversas normas para ayudar en su diseño. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}   

Para utilizar menos espacio, tratar residuos difíciles y flujos intermitentes, se han desarrollado varios diseños de plantas de tratamiento híbridas. Estas plantas suelen combinar al menos dos de las tres etapas principales de tratamiento en una sola etapa combinada. En el Reino Unido, donde un gran número de plantas de tratamiento de aguas residuales dan servicio a poblaciones pequeñas, las plantas compactas son una alternativa viable a la construcción de una gran estructura para cada etapa del proceso. En Estados Unidos, las plantas compactas se utilizan normalmente en zonas rurales, áreas de descanso de autopistas y parques de caravanas. ^{[ 15 ]}

Las plantas de procesamiento pueden clasificarse como de alta o baja carga biológica. Esto se refiere a la forma en que se procesa la carga biológica. En los sistemas de alta carga, la etapa biológica recibe una alta carga orgánica y la mezcla de flóculos y materia orgánica se oxigena durante unas horas antes de recibir una nueva carga. En los sistemas de baja carga, la etapa biológica contiene una baja carga orgánica y se combina con el flóculo durante periodos más prolongados.

En algunas zonas, donde hay más terreno disponible, las aguas residuales se tratan en grandes zanjas redondas u ovaladas con uno o más aireadores horizontales, generalmente llamados aireadores de cepillo o de disco, que hacen circular el licor mixto por la zanja y proporcionan aireación. ^{[ 11 ]} Estas son zanjas de oxidación, a menudo denominadas por nombres comerciales de fabricantes como Pasveer, Orbal o Carrousel. Tienen la ventaja de que son relativamente fáciles de mantener y resistentes a las cargas de choque que suelen ocurrir en comunidades pequeñas (por ejemplo, a la hora del desayuno y por la noche).

Las zanjas de oxidación se instalan habitualmente como tecnología de "instalar y olvidar", con parámetros de diseño típicos que incluyen un tiempo de retención hidráulica de 24 a 48 horas y una edad del lodo de 12 a 20 días. Esto contrasta con las plantas de lodos activados nitrificantes, que tienen un tiempo de retención de 8 horas y una edad del lodo de 8 a 12 días.

Cuando el terreno escasea, las aguas residuales pueden tratarse mediante la inyección de oxígeno en una corriente de lodo de retorno a presión, la cual se inyecta en la base de un tanque columnar profundo enterrado en el suelo. Estos pozos pueden alcanzar hasta 100 metros (330 pies) de profundidad y se llenan con el líquido residual. A medida que las aguas residuales ascienden, el oxígeno disuelto por la presión en la base del pozo se libera como oxígeno molecular, proporcionando una fuente de oxígeno altamente eficiente para la biota del lodo activado. El oxígeno ascendente y el lodo de retorno inyectado proporcionan el mecanismo físico para la mezcla de las aguas residuales y el lodo. El lodo y las aguas residuales mezclados se decantan en la superficie y se separan en sobrenadante y componentes de lodo. La eficiencia del tratamiento en pozos profundos puede ser alta. 

Los aireadores de superficie suelen tener una eficiencia de aireación de 0,5 a 1,5  kg O₂ _/ kWh (1,1 a 3,3  lb O₂ _/ kWh), mientras que la aireación por difusión alcanza los 1,5 a 2,5  kg O₂ _/ kWh (3,3 a 5,5  lb O₂ _/ kWh). Los sistemas de pozo profundo indican una eficiencia de 5 a 8  kg O₂ _/ kWh (11 a 18  lb O₂ _/ kWh).

Sin embargo, los costos de construcción son altos. Deep Shaft ha tenido la mayor adopción en Japón, ^{[ 16 ]} debido a los problemas de espacio de terreno. Deep Shaft fue desarrollado por ICI , como un derivado de su proceso Pruteen . En el Reino Unido se encuentra en tres sitios: Tilbury, Anglian Water, tratando aguas residuales con una alta contribución industrial; ^{[ 17 ]} Southport, United Utilities, debido a problemas de espacio de terreno; y Billingham, ICI, tratando nuevamente efluentes industriales, y construido (después de los pozos de Tilbury) por ICI para ayudar al agente a vender más.

DeepShaft es un proceso patentado y licenciado. El licenciatario ha cambiado varias veces y actualmente (2015) Noram Engineering ^{[ 18 ]} lo vende.

La mayoría de los procesos de oxidación biológica para el tratamiento de aguas residuales industriales tienen en común el uso de oxígeno (o aire) y la acción microbiana. Los tanques aireados superficialmente logran una eliminación de DBO del 80 al 90 % con tiempos de retención de 1 a 10 días. ^{[ 19 ]} Los tanques pueden tener una profundidad de entre 1,5 y 5,0 metros (4,9 a 16,4 pies) y utilizan aireadores motorizados que flotan en la superficie de las aguas residuales. ^{[ 19 ]} 

En un sistema de balsa aireada, los aireadores cumplen dos funciones: transfieren el aire a las balsas necesario para las reacciones de oxidación biológica y proporcionan la mezcla requerida para dispersar el aire y poner en contacto los reactivos (es decir, oxígeno, aguas residuales y microorganismos). Normalmente, los aireadores de superficie flotante están diseñados para suministrar una cantidad de aire equivalente a 1,8 a 2,7 kilogramos de _O₂ / kWh ( 4,0 a 6,0  lb de O₂ _/ kWh). Sin embargo, no proporcionan una mezcla tan eficaz como la que se logra normalmente en los sistemas de lodos activados y, por lo tanto, las balsas aireadas no alcanzan el mismo nivel de rendimiento que las unidades de lodos activados. ^{[ 19 ]}

Los procesos de oxidación biológica son sensibles a la temperatura y, entre 0 y 40 °C (32 y 104 °F) , la velocidad de las reacciones biológicas aumenta con la temperatura. La mayoría de los recipientes con aireación superficial operan entre 4 y 32 °C (39 y 90 °F) . ^{[ 19 ]}    

Los reactores discontinuos secuenciales (SBR) tratan las aguas residuales por lotes dentro del mismo recipiente. Esto significa que el biorreactor y el clarificador final no están separados físicamente, sino que operan en una secuencia temporal. La instalación consta de al menos dos tanques idénticos con una entrada común, que se pueden alternar entre ellos. Mientras un tanque está en modo de sedimentación/decantación, el otro se encuentra en proceso de aireación y llenado.

Las aguas residuales se vierten en tanques profundos con sistemas de aireación mediante difusores instalados en el fondo. Estos sistemas son similares a las piedras difusoras que se usan en acuarios de peces tropicales , pero a una escala mucho mayor. Se bombea aire a través de los difusores y la cortina de burbujas que se forma oxigena las aguas residuales y, además, proporciona la mezcla necesaria. Cuando la capacidad es limitada o las aguas residuales son particularmente fuertes o difíciles de tratar, se puede usar oxígeno en lugar de aire. Normalmente, el aire se genera mediante algún tipo de soplador.

Tubos verticales de hasta 1 metro (3,3 pies) de diámetro que se extienden desde justo encima de la base de un tanque profundo de hormigón hasta justo debajo de la superficie del líquido residual. Un pozo típico puede tener 10 metros (33 pies) de altura. En el extremo que llega a la superficie, el tubo tiene forma de cono con álabes helicoidales unidos a la superficie interior. Al girar el tubo, los álabes impulsan el líquido hacia arriba y fuera del cono, extrayendo así nuevo líquido residual de la base del tanque. En muchas plantas, cada cono se encuentra en una celda separada que puede aislarse de las demás si es necesario para el mantenimiento. Algunas plantas pueden tener dos conos por celda, y algunas plantas grandes pueden tener cuatro conos por celda.  

Los sistemas de aireación de lodos activados con oxígeno puro son reactores de tanque sellado con impulsores de aireación superficial montados dentro de los tanques en la interfaz entre el oxígeno y el licor de carbón. La cantidad de oxígeno disuelto (OD) se controla mediante un vertedero de nivel ajustable y una válvula de alimentación de oxígeno controlada por el gas de ventilación. El oxígeno se genera in situ mediante destilación criogénica de aire, adsorción por cambio de presión u otros métodos. Estos sistemas se utilizan en plantas de tratamiento de aguas residuales con espacio limitado y donde se requiere un alto caudal de aguas residuales, dado el elevado coste energético de la purificación del oxígeno.

Puede producirse un abultamiento de lodos que dificulta la sedimentación de los lodos activados y que, con frecuencia, repercute negativamente en la calidad del efluente final. El tratamiento del abultamiento de lodos y la gestión de la planta para evitar su recurrencia requieren una gestión especializada y pueden requerir personal a tiempo completo para permitir una intervención inmediata. ^{[ 1 ]}

La descarga de contaminación industrial tóxica en plantas de tratamiento diseñadas principalmente para tratar aguas residuales domésticas puede provocar alteraciones en los procesos. ^{[ 20 ]}

El proceso de lodos activados es un ejemplo de un proceso más tecnológico, intensivo en energía o "mecanizado", que resulta relativamente costoso en comparación con otros sistemas de tratamiento de aguas residuales. Puede proporcionar un nivel de tratamiento muy alto. ^{[ 21 ] : 239}

Las plantas de lodos activados dependen completamente del suministro eléctrico para alimentar los aireadores y transferir los sólidos sedimentados de vuelta a la entrada del tanque de aireación, y en muchos casos para bombear los lodos residuales y el efluente final. En algunas plantas, las aguas residuales sin tratar se elevan mediante bombas hasta la planta de tratamiento para asegurar una caída suficiente que permita una altura de descarga adecuada para el efluente final. Las tecnologías alternativas, como el tratamiento con filtros percoladores , requieren mucha menos energía y pueden funcionar únicamente por gravedad.