1.8: Lodos Activados

Resultados de aprendizaje

• Comparar y contrastar la diferencia entre los sistemas de tratamiento biológico de película fija y crecimiento suspendido
• Describir cómo el proceso de lodos activados puede reducir de manera más eficiente los desechos orgánicos
• Comprender cómo funcionan las diferentes estrategias de control de procesos en un sistema de lodos activados
• Examinar cómo se utiliza un clarificador secundario en un sistema de lodo activado

Procesos de Crecimiento Suspendidos

A diferencia de los sistemas biológicos de película fija discutidos en el Capítulo 7, el lodo activado utiliza un proceso de crecimiento suspendido. Esto significa que no hay medios a los que se puedan fijar las bacterias. Los microorganismos se suspenden en los tanques ya sea mediante un mezclador o difusores de aire y luego se mezclan con las aguas residuales entrantes. Esta mezcla de aguas residuales y microorganismos se conoce como los sólidos suspendidos de licor mixto (MLSS). Se puede tomar una muestra del sistema de lodos activados y analizarla en un laboratorio para determinar cuántos mg/L hay de MLSS en el sistema. Este resultado de laboratorio será un diseño crítico y un parámetro operativo que deberá ser monitoreado continuamente para garantizar un tratamiento efectivo.

Tratamiento de Lodos Activados

El proceso de lodos activados fue desarrollado por dos científicos, Edward Arden y William Lockett, en Inglaterra en 1914. Sus experimentos mostraron que al tomar los microorganismos que ya estaban establecidos de la descomposición aeróbica e introducirlos en aguas residuales frescas, aceleraría la descomposición de los nuevos desechos orgánicos. En lugar de depender de los 30 a 45 días que normalmente tardarían en descomponerse estos desechos orgánicos, el proceso de lodos activados puede alcanzar el mismo nivel de tratamiento en menos de un día. Esto significa que un sistema de tratamiento de aguas residuales de lodos activados podrá manejar caudales más altos y una carga orgánica más alta que los sistemas de tratamiento de estanques o de película fija.

Para lograr esto a gran escala, los sistemas convencionales de lodo activado están compuestos por un tanque de aireación seguido de un clarificador secundario. En el clarificador secundario, los microorganismos se separarán de las aguas residuales ahora tratadas. La mayoría de esos microorganismos serán devueltos al reactor y ahora se activan para tratar más de las aguas residuales entrantes. En los tanques de aireación, las bacterias se encuentran en un ambiente con oxígeno disuelto fácilmente disponible y materia orgánica para consumir. Al igual que los otros procesos biológicos, así es como ocurre la reducción de DBO5, a través de la descomposición aeróbica. Lo que hace que los lodos activados sean únicos es que en el clarificador secundario, las bacterias se estresan porque su fuente de alimento ha disminuido drásticamente y no hay más oxígeno disuelto. Comienzan a pasar por la respiración endógena. Las bacterias básicamente se vuelven tan hambrientas que comienzan a descomponerse su propia estructura celular. Antes de que las bacterias se canibalicen por completo, son enviadas de regreso al tanque de aireación donde se vuelven a introducir oxígeno disuelto y materia orgánica fácilmente disponibles. Las bacterias hambrientas son capaces de reiniciar rápidamente la descomposición aeróbica y reducir rápidamente el DBO5 en las aguas residuales.

Proporción Alimento a Microorganismos

Un parámetro clave para determinar la efectividad de los sistemas de lodos activados es la relación alimento-microorganismo, o F/M. El alimento está determinado por la cantidad de DBO5 en las aguas residuales entrantes y la cantidad de microorganismos disponibles para consumir ese alimento está determinada por la cantidad de MLSS en los tanques de aireación. Al tratarse de una relación, las unidades de estos dos resultados de laboratorio deben ser las mismas. La concentración mg/L de los resultados de laboratorio se convierte en una masa con las unidades de lbs. Si bien cada planta de tratamiento determinará qué nivel de F/M ha dado históricamente un tratamiento efectivo, un rango común es de alrededor de 0.2 a 0.5.

Retorno de lodos activados

El lodo activado de retorno, o RAS, son las bacterias que se han asentado en el clarificador secundario y están siendo enviadas de vuelta al tanque de aireación. La velocidad a la que se devuelven los microorganismos es algo que el operador puede controlar.

Lodos Activados Residuos (WAS)

Al igual que el otro proceso biológico discutido, las bacterias, las horas extras crecerán y su población aumentará. Para controlar la cantidad de bacterias en el sistema, una porción del RAS no se devolverá al tanque de aireación sino que se dirigirá a una unidad de tratamiento de manejo de sólidos separada. Por lo general, estos sólidos se combinan con los sólidos sedimentados de los tanques de sedimentación primarios y se envían a un digestor anaeróbico. Después de las digestiones anaeróbicas, los sólidos serán deshidratados y finalmente enviados a un relleno sanitario para su eliminación.

La cantidad de bacterias que queda en el sistema y la cantidad de desperdicio se puede determinar por el tiempo medio de residencia celular o MCRT. El MCRT es un cálculo teórico del tiempo promedio que una sola bacteria permanecerá dentro del sistema de lodos activados antes de ser desperdiciada. Para calcular el MCRT un operador determinaría cuántas libras de MLSS hay en el sistema y dividirlas por cuántas libras se retiraron del sistema.

Control de Procesos

La relación F/M, MCRT, RAS, WAS y las concentraciones de oxígeno disuelto pueden ser manipuladas por los operadores de una instalación de tratamiento de aguas residuales para optimizar la efectividad del tratamiento. De hecho, esos parámetros son las únicas cosas que se pueden controlar fácilmente. La cantidad de aguas residuales entrantes va a ser lo que es y fluctuará a lo largo de un periodo de 24 horas así como variará según la temporada. La carga entrante del BOD5 es lo que va a ser y los operadores no pueden controlarla.

Si el F/M es demasiado bajo, significa que hay más bacterias de las que se necesitan para consumir los alimentos disponibles. Esto es ineficiente porque suministrar oxígeno a las bacterias requiere una cantidad significativa de energía. Si hay demasiadas bacterias en el sistema y no hay suficiente comida, las bacterias seguirán consumiendo oxígeno pero el DBO5 no se reducirá aún más. Para aumentar la relación F/M, los operadores solo pueden controlar la porción “M” de la ecuación. Al aumentar la tasa de derroche, el MLSS se reducirá haciendo que la relación F/M aumente.

Si la relación F/M es alta, entonces no hay suficientes bacterias para consumir las grandes cantidades de BOD5 entrante. Esto conducirá a un mal tratamiento y el efluente tendrá una alta concentración de BOD5. Los operadores no pueden disminuir la cantidad de BOD5 que ingresa a la planta por lo que tendrán que incrementar la cantidad de MLSS en el sistema. Pueden hacer esto disminuyendo o deteniendo la tasa de derroche. Disminuir la tasa de desperdicio provocará que el MLSS aumente y la relación F/M se reducirá.

El MCRT es otra herramienta de control de procesos que se utiliza para determinar la tasa de desperdicio mediante la manipulación de la ecuación para calcular el MCRT. A menudo, la tasa de MCRT deseada está determinada por el diseño de la instalación de tratamiento o a partir de datos históricos. Al tomar las libras de MLSS en el sistema y dividirlo por el MCRT deseado, determinará cuál debe ser la tasa de desperdicio para lograr ese MCRT. Sin embargo, los métodos MCRT y F/M para determinar la tasa de desperdicio a menudo pueden entrar en conflicto entre sí. Los operadores deben observar los cambios en MCRT y F/M a lo largo del tiempo y hacer pequeños ajustes en el proceso para que las bacterias no se “conmocionen”.

Configuraciones de proceso alternativas

Existen muchos tipos diferentes de configuraciones de proceso de sistemas de lodos activados que difieren según la forma en que las aguas residuales ingresan a los tanques de aireación. Un reactor de flujo pistón tiene todas las aguas residuales y RAS entrando al comienzo del tanque. Esto tendrá una gran carga orgánica al inicio del tanque y a medida que las aguas residuales se muevan a través del tanque, la carga disminuirá. A menudo, la aireación cónica se utilizará en reactores de flujo pistón. La aireación cónica tendrá muchos difusores de aire al comienzo del tanque, por lo que hay más oxígeno disponible para las bacterias para manejar el aumento de la carga orgánica. A medida que las aguas residuales fluyen y el BOD5 se reduce, los difusores de aire también se reducen.

Una alternativa es un reactor de alimentación escalonada donde las aguas residuales entrantes se dividen y se envían a diferentes porciones del tanque. Por ejemplo, el 25% del flujo se envía al primer ¼ del tanque, otro 25% al segundo ¼ del tanque, y así sucesivamente. Esto permite una distribución más uniforme de la carga orgánica así como una demanda más uniforme de los difusores de aire. Típicamente, un sistema de alimentación empinada utilizará menos aire en general que un reactor de flujo pistón.

Aclaración Secundaria

Un clarificador secundario es un componente clave del sistema de lodos activados. No sólo separa los microorganismos de las aguas residuales ahora tratadas, sino que también los concentrará a través del proceso de sedimentación. Un clarificador secundario funciona exactamente como se discutió anteriormente en la sedimentación primaria. La única diferencia es que en un tanque de sedimentación primaria el objetivo principal es eliminar los sólidos no deseados. En un tanque secundario de sedimentación (o clarificador), el objetivo es concentrar el MLSS para que pueda ser devuelto a los tanques de aireación.

La forma en que la biomasa se asienta en el clarificador puede ser difícil de ver en tiempo real, ya que los tanques suelen estar por debajo de la ley y están hechos de concreto. Se utiliza un “juez de lodos” para determinar cuántos pies de MLSS se asientan en el fondo y cuánta agua clara hay en la parte superior. La herramienta es simplemente una tubería de PVC transparente con una válvula de retención de bola en la parte inferior. A medida que la tubería se inserta en el agua, la válvula de retención de bola se abre, dejando entrar líquido. Cuando el palo golpea el fondo, el operador sacará la tubería de PVC del agua obligando a que la bola se cierre produciendo una muestra transversal de MLSS en la parte inferior y agua clara en la parte superior. Hay marcas en la tubería de PVC por cada pie. Para que a medida que el operador lo saca del clarificador, pueden ver dónde se detiene el agua clara y dónde se asienta el MLSS. Por lo general, una capa de lodo de 1 a 3 pies en la parte inferior del clarificador es óptima.

La sedimentación del MLSS también se puede observar en el laboratorio tomando una muestra del MLSS y colocándolo en un vaso de precipitados de 1000 mL. Después de que hayan pasado 30 minutos, se registrarán las graduaciones de donde se ha asentado el MLSS. Dividiendo el volumen de lodos sedimentados en mLL/l, dividiendo por el MLSS en mg/L y multiplicando por 1,000 mg/g dará como resultado el Índice de Volumen de Lodos (SVI) en mL/g. El SVI se utiliza para medir qué tan bien se asentará el MLSS en el clarificador y también arrojará luz sobre cómo está operando la planta de lodo activado.

El SVI típico es de alrededor de 100 a 200 ml/g. Menos de 100 ml/g a menudo mostrará una rápida sedimentación del lodo en el clarificador. Cuando el MLSS se asienta demasiado rápido, las partículas más pequeñas de “flóculo pin” permanecerán suspendidas en el medio del clarificador. Esto también se verá en la prueba del juez de lodos donde hay agua clara encima del juez de lodos, agua turbia en el medio y sólidos más oscuros en el fondo. Esto suele ser causado por tener un MCRT más alto. Un SVI mayor a 200 ml/g tendrá lodo sedimentando muy lentamente en el clarificador. Esto puede ser causado por tener un MCRT bajo.

El agua que sale del clarificador secundario ha pasado por todos los pasos de tratamiento previos, desde el tamizado preliminar hasta la sedimentación primaria y el tratamiento de lodos activados. En algunas zonas con regulaciones menos estrictas, esta agua es lo suficientemente limpia como para ser descargada al océano o a un cuerpo de agua cercano. Sin embargo, es posible que se necesite algún tratamiento adicional como filtración y desinfección para cumplir con la normativa. Además, los sólidos que se eliminaron del proceso primario y secundario seguirán necesitando ser tratados y eliminados.