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Abultamiento de lodos

La aglomeración de lodos es un problema microbiano que afecta a la separación de sólidos en el tratamiento de aguas residuales con lodos activados , y que se produce cuando los ...

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La aglomeración de lodos es un problema microbiano que afecta a la separación de sólidos en el tratamiento de aguas residuales con lodos activados , y que se produce cuando los lodos no se separan correctamente en los tanques de sedimentación .

En el tratamiento de aguas residuales, uno de los procesos utilizados es el de lodos activados, en el que se hace pasar aire a través de una mezcla de aguas residuales y lodos antiguos para que los microorganismos descompongan los componentes orgánicos . Los lodos se extraen continuamente a medida que entran nuevas aguas residuales al tanque y deben decantarse para separar el sobrenadante (el líquido restante) y pasarlo a las siguientes etapas del tratamiento.

Medición del índice de volumen de lodos utilizando el cono Imhoff para identificar si se produce abultamiento.

La aparición de abultamiento de lodos impide que los sólidos se sedimenten y compacten, lo que reduce las concentraciones de sólidos del lodo activado de retorno (RAS) y puede provocar el desbordamiento del manto de lodo en el clarificador secundario del tratamiento de aguas residuales. [ 1 ] El abultamiento de lodos puede indicarse mediante indicadores de sedimentabilidad de lodos. Se considera que el lodo activado está abultado si el valor del índice de volumen de lodo (SVI) es superior a 150 mL/g. [ 2 ] El abultamiento de lodos puede clasificarse en dos tipos: abultamiento filamentoso y no filamentoso. El abultamiento filamentoso impide que el lodo activado se compacte, mientras que el abultamiento viscoso provoca una compactación y sedimentación deficientes y también puede provocar espuma en la superficie.

El rápido crecimiento de microorganismos que causan el abultamiento del lodo puede deberse a varias condiciones ambientales, como baja concentración de OD ( oxígeno disuelto ), baja relación F/M (alimento a microorganismo), alta concentración de ácidos orgánicos de bajo peso molecular , aguas residuales sépticas o presencia de sulfuro de hidrógeno , deficiencia de nutrientes, presencia de grasas, aceites y lubricantes (FOG), alta edad del lodo o alto MCRT (tiempo medio de residencia celular) y bajo pH en las aguas residuales. [ 3 ]

Aumento de volumen filamentoso

Bacterias filamentosas y formadoras de flóculos Gram positivas observadas al microscopio mediante tinción de Gram.

La formación de lodos filamentosos es la principal causa de la formación de lodos, provocada por el crecimiento excesivo de microorganismos filamentosos, incluyendo algas , bacterias y hongos . [ 4 ] Los microorganismos filamentosos crecen en largas hebras que tienen un volumen y una superficie mucho mayores que los flóculos convencionales y son muy lentos para sedimentarse. Bajo ciertas condiciones de crecimiento, los organismos filamentosos predominan.

En niveles normales, los microorganismos filamentosos actúan como la columna vertebral que mantiene unidas a las bacterias floculadas al atraparlas en la red filamentosa, lo cual es importante para el tratamiento de lodos activados. Por lo tanto, se requiere un control de ingeniería para asegurar el nivel normal de crecimiento de bacterias filamentosas en el sistema de tratamiento. [ 5 ]

Escucha

El análisis microscópico puede utilizarse para identificar las causas biológicas de la formación de flóculos y mejorar el estado del sistema de tratamiento de aguas residuales. Las observaciones microscópicas se centran en el recuento de filamentos, por ejemplo, mediante el método de longitud total extendida de filamentos, y en la caracterización de los flóculos y los microorganismos filamentosos utilizando diversos métodos de tinción de Gram.

Teorías del crecimiento y la selección

Existen dos teorías de selección sobre cómo se comportan las bacterias filamentosas y floculantes en su entorno. La teoría de selección cinética explica por qué las bacterias filamentosas pueden competir con éxito con las bacterias floculantes en condiciones ambientales específicas. La cinética de crecimiento de las bacterias filamentosas y floculantes es diferente. Las bacterias filamentosas tienen constantes de semisaturación (Ks) y tasas máximas de crecimiento (μmax) más bajas [ 7 ] , lo que significa que pueden utilizar sustratos bajos para competir con éxito con las bacterias floculantes cuando el sistema tiene bajas concentraciones de sustrato. Por el contrario, las bacterias floculantes pueden crecer a una tasa mayor que las bacterias filamentosas si la concentración de sustrato es alta. Para evitar la sobreabundancia de bacterias filamentosas, se puede implementar un diseño de selector basado en la cinética o con una alta relación F/M [ 8 ] para que las bacterias floculantes superen a las bacterias filamentosas antes de que el licor mixto entre en el tanque de aireación principal.

Otra teoría es la de la selección por difusión, que se centra en las diferencias morfológicas de las bacterias y la transferencia de masa de nutrientes. Debido a que poseen filamentos que pueden extenderse desde el flóculo, las bacterias filamentosas acceden a los sustratos con mayor facilidad que las bacterias formadoras de flóculos cuando el sistema presenta bajas concentraciones de oxígeno disuelto o de sustrato. Si bien las bacterias formadoras de flóculos tienen desventajas debido a su forma relativamente esférica, esto dificulta la difusión de oxígeno y nutrientes hacia el centro del flóculo.

Volumen no filamentoso o viscoso

El abultamiento viscoso o abultamiento zoogleal es un tipo de abultamiento no filamentoso que probablemente sea causado por la zoogloea sp. El abultamiento viscoso se produce por una gran cantidad de material exocelular que retiene agua. La sustancia polimérica extracelular (EPS) rodea a las bacterias dispersas y floculentas, lo que resulta en una consistencia de lodo viscoso o gelatinoso. La absorción excesiva de agua en el lodo activado produce una sedimentación más lenta y compactación de los microorganismos dispersos y floculentos. El abultamiento viscoso suele ocurrir cuando el sistema tiene altos niveles de carbohidratos y carece de nutrientes como nitrógeno y fósforo . [ 9 ] La tinción inversa con tinta china es un método microscópico utilizado para visualizar el lodo viscoso.

Control de ingeniería

El abultamiento del lodo activado se puede controlar mediante dos tipos principales de métodos: inespecíficos y específicos. Los métodos inespecíficos son soluciones rápidas y a corto plazo que mejoran la sedimentación del lodo de inmediato. Dado que estos métodos no abordan la causa raíz, el abultamiento suele reaparecer tras la interrupción del tratamiento. Estos métodos incluyen modificar el flujo de lodo activado de retorno (RAS), añadir sólidos o productos químicos adicionales para favorecer la agrupación de partículas y utilizar desinfectantes como cloro o peróxido de hidrógeno para eliminar temporalmente las bacterias filamentosas.

Los métodos no específicos pueden mejorar la sedimentación de lodos, como desviar parte del afluente para reducir la carga hidráulica, aumentar la proporción de lodos activados de retorno (RAS) para mantener la concentración de biomasa, ajustar el pH con cal o carbonato de sodio para suprimir las bacterias filamentosas y aumentar la aireación para elevar los niveles de oxígeno disuelto.

Un ejemplo de método de tratamiento físico no específico es el método de congelación-descongelación, que consiste en enfriar y calentar repetidamente el lodo. Este método no requiere aditivos químicos y previene la contaminación secundaria por metales proveniente de sales de Fe3+/Al3+. En consecuencia, no deja contaminantes metálicos en el agua, lo que contribuye a la sostenibilidad ambiental. Durante la etapa de congelación, la formación y expansión de estructuras de hielo obligan a las partículas pequeñas a unirse, formando grumos de lodo más grandes y pesados. El proceso de congelación debilita la EPS, permitiendo la liberación del agua retenida y produciendo una estructura de flóculos de lodo más densa, mejorando así el rendimiento general de sedimentación. [ 10 ] [ 11 ]

Los métodos específicos son soluciones a largo plazo destinadas a eliminar la causa raíz del abultamiento. Para utilizar estos métodos, primero se debe identificar el tipo exacto de bacteria filamentosa. Luego, se ajustan las condiciones en el tanque de aireación para detener el crecimiento de dicha bacteria. Esto puede incluir corregir desequilibrios de nutrientes, aumentar los niveles de oxígeno disuelto o utilizar selectores biológicos para favorecer el crecimiento de bacterias beneficiosas que forman lodos beneficiosos. [ 12 ]

Para la prevención permanente, se implementan selectores biológicos al inicio del tratamiento. Estos tanques de mezcla multietapa, a menudo diseñados con al menos tres compartimentos y una alta relación alimento/microorganismo (A/M), crean un entorno que favorece el crecimiento de bacterias saludables formadoras de flóculos sobre las especies filamentosas. Al mantener estas condiciones específicas, el sistema puede asegurar una densidad de lodo estable y un rendimiento de sedimentación constante a lo largo del tiempo. [ 13 ]

Novedades recientes

Las plantas de tratamiento de aguas residuales utilizan diferentes métodos de monitorización para detectar la acumulación de lodos y prevenir problemas en el sistema, los cuales se pueden dividir en dos tipos principales: técnicas biológicas avanzadas, como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), la hibridación fluorescente in situ (FISH) y la secuenciación de alto rendimiento, y enfoques basados ​​en datos, que incluyen el análisis de imágenes y el modelado computacional. Los métodos moleculares proporcionan información detallada sobre los microorganismos. La PCR y la secuenciación de alto rendimiento pueden medir rápidamente los genes y mostrar toda la comunidad microbiana, pero pueden ser costosos, susceptibles a la contaminación y requieren un análisis de datos complejo. La FISH puede identificar la ubicación de microorganismos específicos, pero su señal puede desvanecerse con el tiempo. Por otro lado, los métodos basados ​​en algoritmos permiten la monitorización continua en toda la planta. El análisis de imágenes y los modelos basados ​​en datos pueden proporcionar datos en tiempo real y alertas tempranas de acumulación de lodos, pero la precisión depende de la calidad de los datos y de sistemas de procesamiento robustos. [ 14 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Jenkins, David; Richard, Michael G.; Daigger, Glen T. (27 de agosto de 2003). Manual sobre las causas y el control del abultamiento, la formación de espuma y otros problemas de separación de sólidos en lodos activados (0.ª  ed.). CRC Press. doi : 10.1201/9780203503157 . ISBN 978-1-135-46223-9.
  2. ↑ Gray, NF (1990). Lodos activados: teoría y práctica . Oxford; Nueva York: Oxford University Press. ISBN 978-0198563419.
  3. ↑ Jenkins, David; Richard, Michael G.; Daigger, Glen T. (27 de agosto de 2003). Manual sobre las causas y el control del abultamiento, la formación de espuma y otros problemas de separación de sólidos en lodos activados (0.ª ed.). CRC Press. doi : 10.1201/9780203503157 . ISBN  978-1-135-46223-9.
  4. ↑ CC Lee y Shun Dar Lin (2007). Manual de cálculos de ingeniería ambiental (2.ª ed.). McGraw-Hill Professional. pág. 1550. ISBN   9780071475839.
  5. ↑ Wanner, Jiri (22 de julio de 2014). Lodos activados (0.ª ed.). CRC Press. doi : 10.1201/9781498710817 . ISBN  978-0-429-15724-0.
  6. ↑ Jenkins, David; Richard, Michael G.; Daigger, Glen T. (27 de agosto de 2003). Manual sobre las causas y el control del abultamiento, la formación de espuma y otros problemas de separación de sólidos en lodos activados (0.ª ed.). CRC Press. ISBN  978-1-135-46223-9.
  7. ↑ Henriet, Olivier; Meunier, Christophe; Henry, Paul; Mahillon, Jacques (3 de mayo de 2017). "El abultamiento filamentoso causado por especies de Thiothrix se controla eficazmente en plantas de tratamiento de aguas residuales a gran escala mediante la implementación de una estrategia de densificación de lodos" . Scientific Reports . 7 (1). doi : 10.1038/s41598-017-01481-1 . PMC 5431194 . 
  8. ↑ Ingeniería de aguas residuales: tratamiento y recuperación de recursos (Quinta ed.). Nueva York, NY: McGraw-Hill Education. 2014. ISBN  9780073401188.
  9. ↑ Jenkins, David; Richard, Michael G.; Daigger, Glen T. (27 de agosto de 2003). Manual sobre las causas y el control del abultamiento, la formación de espuma y otros problemas de separación de sólidos en lodos activados (0.ª ed.). CRC Press. doi : 10.1201/9780203503157 . ISBN  978-1-135-46223-9.
  10. ↑ Li, Haoran; Yao, Junqin; Yan, Hui; Xu, Shuang (15 de diciembre de 2025). "Alivio instantáneo y control persistente del abultamiento de lodos: cambios en la flora bacteriana debido a la congelación-descongelación y la conversión de la fuente de carbono" . Water . 17 (24): 3553. Bibcode : 2025Water..17.3553L . doi : 10.3390/w17243553 .
  11. ↑ Jenkins, David; Richard, Michael G.; Daigger, Glen T. (27 de agosto de 2003). Manual sobre las causas y el control del abultamiento, la formación de espuma y otros problemas de separación de sólidos en lodos activados (0.ª ed.). CRC Press. doi : 10.1201/9780203503157 . ISBN  978-1-135-46223-9.
  12. ↑ Jenkins, David; Richard, Michael G.; Daigger, Glen T. (27 de agosto de 2003). Manual sobre las causas y el control del abultamiento, la formación de espuma y otros problemas de separación de sólidos en lodos activados (0.ª ed.). CRC Press. doi : 10.1201/9780203503157 . ISBN  978-1-135-46223-9.
  13. ↑ Jenkins, David; Richard, Michael G.; Daigger, Glen T. (27 de agosto de 2003). Manual sobre las causas y el control del abultamiento, la formación de espuma y otros problemas de separación de sólidos en lodos activados (0.ª ed.). CRC Press. doi : 10.1201/9780203503157 . ISBN  978-1-135-46223-9.
  14. ↑ Sol, Han-Jun; Yang, Shan-Shan; Zhao, Yi-Lin; Chen, Ying; Wu, Tong; Zhong, Le; Cui, Chen-Hao; Ding, Meng-Qi; Liu, Min; Pang, Ji-Wei; Zhang, Lu-Yan; Tang, Ding-Ding; Zhou, Yan; Qin, Qiong; Dong, Xiao-Qing; Ren, Nan-Qi; Ding, Jie (1 de septiembre de 2025). "Avanzar en el control de la acumulación de lodos en el tratamiento de aguas residuales: una revisión integral de la detección, identificación e intervenciones estratégicas" . Horizontes Sostenibles . 15 100142. Código Bib : 2025SusHo..1500142S . doi : 10.1016/j.horiz.2025.100142 .

Lecturas adicionales

  • RJ Foot y MS Robinson (2003). «Abultamiento y formación de espuma en lodos activados: microbios y mitos». En Duncan Mara y NJ Horan (eds.). Manual de microbiología del agua y las aguas residuales . Academic Press. ISBN 9780124701007.
  • Orris E. Albertson (1992). "Control de organismos voluminosos y espumantes". En Clifford W. Randall y James Lang Barnard (eds.). Diseño y modernización de plantas de tratamiento de aguas residuales para la eliminación biológica de nutrientes . CRC Press. ISBN 9780877629221.
  • Jiri Wanner (1994). Control de la formación de espuma y el abultamiento de lodos activados . CRC Press. ISBN 9781566761215.