Calidad de Agua - Lodos Activados - Guia Ambiental

 
 
 

Lodos Activados

 

Tipos de sedimentación

(1) Sedimentación discreta
Partículas de origen mineral, por lo que sus propiedades físicas (tamaño, peso específico, etc.) no sufren modificaciones durante todo el proceso, siendo la interacción entre ellas mínima. (Característico de los desarenadotes)

(2) Sedimentación floculenta
            Las partículas interactúan fuertemente entre sí, tendiendo a aglomerarse y a unirse, cambiando de esta manera sus propiedades físicas. Se produce en presencia de partículas de naturaleza floculenta, por ejemplo, material particulado de origen orgánico, con concentraciones de hasta aproximadamente 500 mg/l expresada como sólidos totales. (Típica de sedimentadores primarios)

(3) Sedimentación zonal
            Intervienen partículas floculentas, pero como la concentración de los sólidos en suspensión es mayor que 500 mg/l, se produce una gran interacción entre las partículas. Los sólidos en suspensión no se comportan como partículas aisladas, sino que actúan como una sola masa de sólidos. (Característico de los sedimentación del barro biológico en sedimentadotes secundarios).

(4) Sedimentación por espesamiento
            La concentración de los sólidos es tan elevada que el proceso se produce por la acción del peso de los sólidos ubicados sobre las partículas consideradas. (Característica del barro biológico presente en el fondo de los sedimentadores secundarios o en el manto de barro en los espesadores.)

Parámetros de control

  • IVL
  • Oxígeno disuelto

 

Índice volumétrico de Lodos (IVL), definiéndolo como el volumen ocupado, en mililitros por gramo de barro biológico luego de 30 minutos de sedimentación. Me permite evaluara si el lodo decanta correctamente o no.

Sol. Sed 30’: muestra de la cámara de aireación (probeta, 30’)
SST: muestra de la cámara de aireación, filtración, estufa.

Si IVL > 200 ml/g, el sistema de lodos activados no está funcionando correctamente. (¿ver?)

Tiempo de residencia hidráulico:


Q0: Caudal que ingresa

En los reactores mezcla completa y flujo continuo el tiempo de retención de los sólidos biológicos,  medido a través de la edad del barro, es igual al tiempo de residencia hidráulico. Para independizar ambos parámetros, y de esta manera controlar la permanencia de los mismos en el reactor, puede recircularse al tanque de aireación parte de la biomasa sedimentada en un sedimentador secundario. Con esto, se logra mayor tiempo de residencia de los sólidos sin aumentar el tamaño del sistema, alcanzándose la misma remoción con una planta de menor tamaño.
Por efecto de la recirculación, el tiempo de residencia celular (edad del barro) es mayor que el tiempo de residencia hidráulico, y este tiempo de residencia celular puede expresarse mediante la siguiente relación:


S: Sustrato
X: Biomasa
F: alimento
M: carga másica de microorganismos

 

LODOS ACTIVADOS

Es un proceso biológico aerobio que emplea microorganismos aerobios y facultativos para degradar los compuestos orgánicos.
El sistema se compone de un reactor aireado artificialmente (cámara de aireación), seguido por un sedimentador que cumple la función de separar la biomasa suspendida en la fase líquida.
Una parte de la biomasa separada en el sedimentador secundario se la recircula al reactor, el resto se elimina como barros en exceso (purga de barros), de manera tal de mantener la concentración de microorganismos en la cámara de aireación aproximadamente constante. De esta manera, por efecto de la recirculación aumenta la concentración de la biomasa en la cámara de aireación, y el tiempo de residencia de los mismos, obteniéndose remociones similares con instalaciones más pequeñas. 
Al aumentar el tiempo de residencia de los microorganismos en el reactor, aumenta la actividad biológica, y disminuye, así, el tiempo de tratamiento (del orden de horas)


Los sedimentadotes secundarios deben cumplir básicamente con dos funciones:

  • La clarificación, es decir producir un efluente relativamente libre de sólidos en suspensión (Permite la disminución de la DBO). Directamente relacionada con la calidad que se desea obtener en el líquido a tratar, ya que los sólidos en suspensión que no pueden separarse en esta etapa del proceso contribuyen con una determinada demanda de oxígeno. 
  • El espesamiento, o sea, generar un barro suficientemente concentrado en el fondo del sedimentador.

Se recomienda el uso de sedimentadotes circulares, que presentan mayor eficiencia hidráulica. Es conveniente que sean profundos, debido a la presencia de sólidos en proceso de decantación. Cuánto más profundo es, es mayor el tiempo para que las partículas interactúen entre sí, y puedan agregarse, disminuyendo así, la concentración de sólidos que sale del sedimentador.
La purga de barros se utiliza para eliminar los barros en exceso, y de esta forma, evitar la saturación de microorganismos en el reactor biológico, manteniendo aproximadamente constante su concentración, y de esta manera, evitar un alto contenido de microorganismos en el líquido tratado.
Los lodos en exceso tienen un alto contenido de agua y de materia orgánica. Es por ello, que no pueden ser dispuestos o depositados directamente, dado que sufrirían putrefacción, generando malos olores y atrayendo vectores. Requieren de un tratamiento previo a su disposición.

Control de sistemas de barros activados
Se requiere un estrecho control sobre algunas variables operacionales del sistema de tratamiento. Las más importantes son: las concentraciones de oxígeno disuelto y sólidos suspendidos en el líquido dentro del reactor, la relación F/M, la edad del barro qc y los caudales de purga y recirculación.

  • El control sobre la concentración de OD (valores del orden de 2 mg/l) tiene como beneficio:
  • Disminuir la posibilidad de proliferación de algunos tipos de organismos filamentosos
  • Evitar la anaerobiosis del barro biológico
  • Ahorrar energía de aireación

Si la concentración de oxígeno disuelto es superior al valor recomendado, se pierde oxígeno sin ser aprovechado; y en concentraciones menores, es ineficiente.
Si OD > 2 mg/l, predomina la resistencia de la transferencia del gas al líquido
Si OD < 1,5 mg/l, predomina la resistencia de la transferencia del líquido al sólido.
Si OD es » 1,5 – 2 mg/l, el floc biológico se mantiene con OD, y el sistema de tratamiento resulta aerobio. Si el gradiente es bajo, se pueden generar zonas anaerobias dentro del floc biológico, generándose gases por lo que la densidad del floc disminuye y el lodo biológico tiende a flotar, sin incorporarse en la masa del líquido.

  • Mantener las relaciones F/M o edades del barro compatibles con el buen funcionamiento del proceso biológico, para lograr los beneficios:
  • Evitar condiciones de “bulking”
  • Mantener la calidad promedio del líquido residual tratado
  • Minimizar las sobrecargas sobre le etapa de sedimentación secundaria

 

Tanto la relación F/M como qc pueden ser controladas a través de la purga de barros.
No es necesario estimar la temperatura de operación en el lodo activado, por la cantidad de biomasa (la temperatura no es un factor determinante).

Problemas operativos
            Las dificultades operacionales observadas comúnmente en los procesos de barros activados suelen estar directamente relacionadas con el mal funcionamiento de la clarificación en la etapa de sedimentación secundaria. Es decir, una excesiva cantidad de sólidos biológicos en el líquido efluente, incrementando la DBO5 del efluente en unos 0,6 mg por cada mg de SST, producto de una baja sedimentabilidad.
            Algunas de las razones por las cuales la decantación en el sedimentador secundario es menor son:

  • Si la concentración de sólidos es elevada, mayor es la dificultad para que el material decante. Si los SST son similares, ésta no es la razón de que la decantación disminuya.(¿Ver?)
  • Bulking (“abultamiento del lodo”): debido a la presencia de microorganismos filamentosos, los flocs normales no pueden interactuar eficientemente, y por ello, no decantan. No hay agregación de partículas.  Interfiere en la sedimentación y compactación del barro.

Si hay bulking, el material decantado en el sedimentador secundario va a estar cercano en la interfase, por lo que puede ser arrastrado por el líquido. Por lo tanto, la calidad del afluente tratado es relativamente baja.
Una cantidad limitada de estos microorganismos no necesariamente afecta la calidad del líquido tratado, por el contrario, permite mejorar el tratamiento. Esto es, debido a que permite obtener un líquido clarificado con menor cantidad de material en suspensión, ya que los microorganismos filamentosos captan aquellas partículas que, de otra manera, no decantarían.
Si el bulking es demasiado elevado, el lodo no decanta, y el sedimentador no actúa, dando concentraciones altas de sólidos en el líquido de salida.

El fenómeno de Bulking en un barro biológico está asociado con:

  • Pobre sedimentabilidad, que se manifiesta en una baja velocidad de sedimentación.
  • Pobre compresibilidad, que se manifiesta en una relativamente baja concentración de barros en el fondo del sedimentador secundario

Un barro activado tiene problemas de Bulking cuando el IVL > 200 ml/g.

Causas del Bulking:

  • Desarrollo de gran cantidad de organismos filamentosos.
  • Bajo pH

Un pH ácido genera condiciones óptimas para el crecimiento de los microorganismos filamentosos.

  • Alta carga orgánica, acompañado con déficit de OD

Los microorganismos filamentosos son muy finitos, por lo que el gradiente de OD les es suficiente.
Los microorganismos normales probablemente no van a tener suficiente cantidad de oxígeno para crecer normalmente. El gradiente de oxígeno disuelto les es insuficiente.

  • Déficit de macronutrientes
  • Baja carga orgánica (concentración de sustrato baja), la velocidad de crecimiento de las filamentosas es mayor que los flocs normal.


Para evitar el bulking de alta carga, se debe mantener la concentración de oxígeno disuelto entre 1,5 a 2 mg/l.
Es necesario el control del OD, no sólo para evitar la proliferación de los microorganismos filamentosos (Bulking), sino que para evitar la anaerobiosis del lodo biológico y ahorrar energía de aireación.

Control del Bulking
Atacando las causas:

  • Aumento de la aireaciçon
  • Modificar el pH (elevarlo)
  • Agregado de nutrientes

El problema no se elimina instantáneamente. Con el agregado de productos químicos bactericidas, tal como hipoclorito de Na o agua oxigenada, se puede controlar el problema de las bacterias. Los microorganismos filamentosos están más expuestos. Los flocs normales están más protegidos frente a la acción de estos productos químicos.
      Los productos químicos deben ser agregados en lugares de buen mezclado, para no afectar tanto a los flocs normales. Se recomienda su agregado en la corriente de recirculación.

Indicadores visuales
Permiten controlar y tomar decisiones sobre la operación del proceso:

  • Espumas blancas, en excesiva cantidad, puede estar indicando:
    • Sistema en la etapa de puesta en marcha
    • Edad del barro demasiado baja
  • Coloración del barro biológico. Su coloración normal es marrón; otras coloraciones pueden estar indicando:
    • Deficiente mezclado
    • Baja concentración de OD
    • Presencia de líquidos residuales industriales
  • Desprendimiento de grandes masas de barro biológico de coloración oscura desde el fondo del sedimentador secundario con producción de olores: producto de una excesiva permanencia de los barros biológicos en el sedimentador, principalmente producto de un dimensionamiento inadecuado (excesiva permanencia hidráulica, mal diseño de la tolva de barros, etc.), de un mal funcionamiento del sistema barredor de fondo o de una frecuencia de purgado de barros en exceso insuficiente.
  • Presencia de pequeñas burbujas y arrastre de pequeñas partículas de lodo en el sedimentador secundario, debido a problemas de desnitrificación biológica, dando lugar a mayores concentraciones de sólidos en suspensión.

Desnitrificación
La desnitrificación es un proceso de reducción bioquímico mediante el cual el N de los nitratos (NO3) es devuelto a la atmósfera como óxido de nitrógeno (N2O) o como N molecular (N2). El proceso es mediado por una serie de bacterias de suelo (del género Bacillus y Pseudomonas). Algunas de estas bacterias son anaeróbicas obligadas, es decir, proliferan solo en ausencia de oxígeno, mientras que otras, la mayoría, son facultativas, es decir, respiran oxígeno en cuanto hay: cuando éste se acaba, eligen del menú aquellos compuestos oxidados que sirvan como aceptores de electrones, por ejemplo los nitratos y los reducen.

Causas:

  • Condición anóxica. Déficit de OD
  • Contenido de materia orgánica: Está relacionado con la población bacteriana en el líquido residual, y el que le prevé a las bacterias de la energía (compuestos de carbono) para su supervivencia.

Control

  • Aumentando la concentración de OD en la cámara de aireación
  • Disminuyendo el tiempo de residencia del lodo decantado en el sedimentador. Aumento la recirculación, extraigo más lodo à no genera ningún beneficio. (¿Ver?)  

 

Aireadores  (Ver lagunas aireadas)

Aireadores fijos y lentos: operan por dispersión del líquido en el aire. Si la temperatura ambiente es menor que la temperatura en el reactor, enfría el líquido, tendiendo a disminuir la actividad biológica. Profundidades de entre 3 a 4 m.

Difusión del aire: permiten mantener, e incluso incrementar la temperatura en el reactor. Se recomienda su uso, para climas fríos. Cuánto más profundo (6 - 8 m), mayor es su eficiencia, a costas de aumentar la presión de inyección del aire (mayor costo)

TIPOS DE LODOS ACTIVADOS

Convencional
            Consiste en un tanque de aireación de forma alargada (ancho/ largo = 1:5). Esta geometría determina que el régimen de flujo hidráulico sea el de flujo pistón.
Demanda de oxigeno para la degradación de materia orgánica
Sistemas diseñados “justos”, con qh = “horas”
3 días < qc < 14 días
            Operan en la zona de crecimiento estacionario de la curva de crecimiento “batch” de microorganismos. La relación F/M está equilibrada. La cantidad de alimento disponible está en equilibrio con la masa de microorganismos.
La alimentación del líquido residual, así como la recirculación de los barros, se efectúa por uno de los extremos, mientras que la salida del líquido tratado, se produce por el extremo opuesto. Debido a la forma del reactor, y a cómo se efectúa la alimentación del líquido residual, en la zona de entrada la concentración de materia orgánica, y por lo tanto, el requerimiento de oxígeno es muy elevado, disminuyendo progresivamente hacia la salida. Por ello, es usual que en estos procesos se produzca un déficit en el suministro de oxígeno en la zona de entrada y exceso del mismo en la zona de salida. El aire inyectado no va a ser bien aprovechado si se inyectó en todo el reactor. Por esto, existen 2 variantes de este sistema de tratamiento tendientes a equilibrar la demanda de oxígeno.

  • Barros activados “step aeration”

El proceso “step aeration” tiene características constructivas similares al sistema de barros convencional, la diferencia entre ambos está en que en el “step aeration” la alimentación se distribuyen en distintos puntos a los largo del reactor, esto permite un mejor control y equilibrio en la demanda de oxígeno.

  • Barros activados “tapered aeration”

El proceso de “tapered aeration” es una variante del proceso de barros activados convencional que se modifica con el objeto de lograr un mejor aprovechamiento del oxígeno que se suministra por medio de los aireadores. La modificación consiste en ajustar el aporte de oxígeno en base a su demanda, que es mayor en la zona de entrada y declinando hacia la salida.

Barros activados mezcla completa
            En este sistema tanto el líquido afluente como el barro biológico recirculado se introducen en distintos sectores de la cámara de aireación a fin de lograr una distribución uniforme de la carga orgánica y de lo microorganismos que intervienen en el proceso, como consecuencia el requerimiento de oxígeno es uniforme en todo el reactor. Otra característica es que, debido a la mezcla “instantánea” del líquido alimentado este tipo de procesos soporta mejor las descargas puntuales de compuestos tóxicos, así como las variaciones de carga del líquido afluente.
            Para lograr condiciones de flujo hidráulico próximos a la mezcla completa, estos tanques de aireación se construyen con relaciones largo/ ancho próximos a la unidad.

Aireación extendida
Sistemas sobredimensionados.
Emplea tiempos de residencia hidráulicos de hasta 24 horas y tiempos de residencia celular qc > 14 días.
Comparado con el proceso convencional, son procesos que generan relativamente poca biomasa en exceso, pero el requerimiento de oxígeno es mayor, para la degradación de materia orgánica y la nitrificación. Por ello, se necesita una mayor potencia de aireación (mayor gasto energético)
Operan en la zona de respiración endógena de la curva de crecimiento “batch” de microorganismos”. La relación F/M es baja. Hay déficit de alimento. Predomina la muerte de microorganismos. Éstos aportan los nutrientes necesarios para que los microorganismos vivos los aprovechen.
Debido a los extensos tiempos de tratamiento (operan en la zona de respiración endógena de la curva de crecimiento) los barros biológicos se encuentran suficientemente estabilizados como para ser dispuestos directamente, luego de disminuir su contenido de agua. Esto es, debido a que el poco alimento, los obliga a consumir parte de su material de reserva.
En el sistema convencional no se puede asegurar la nitrificaicón completa, por lo menos en invierno. En cambio, un sistema de lodos activados de aireación extendida, me asegura la nitrificación en cualquier época del año, incluso a bajas temperaturas.
             

  • Zanja de oxidación

El proceso biológico zanja de oxidación es una variante del proceso de barros activados (Consiste en un tipo de lodo activado de aireación extendida). Al igual que el proceso de aireación extendida opera en la zona endógena de la curva de crecimiento.
La configuración de zanja de oxidación más utilizada es la de una cámara de aireación de forma ovalada, con poca profundidad, donde el líquido circula continuamente en un circuito cerrado.
La circulación en circuito cerrado provee una excelente acción de mezclado. 
El proceso de zanja de oxidación generalmente no tiene sedimentación primaria. El líquido residual crudo pasa directamente a través de rejas directamente a la zanja.
La función de los aireadores es airear, mezclar e impulsar el líquido. La velocidad media en la cámara de aireación debe ser mantenida a una velocidad mínima de 0,3 m/seg para evitar la sedimentación de los sólidos.
Parte del líquido residual tratado pasa a un sedimentador secundario para la separación de la biomasa.