1.2: Descripción general del tratamiento biológico

Resultados de aprendizaje

• Entender qué ambientes prosperan los diferentes tipos de bacterias
• Explicar cómo el proceso de tratamiento de lodos activados es más eficiente que otros métodos
• Describir el ciclo del nitrógeno y cómo se usa para eliminar el nitrógeno de las aguas residuales

Organismos aeróbicos, facultativos y anaerobios

Las bacterias aeróbicas requieren un ambiente que tenga oxígeno disuelto libre. Las bacterias usan ese oxígeno para la respiración para vivir. Se alimentan de la materia orgánica y otros nutrientes en las aguas residuales. A medida que las bacterias consumen estos materiales, se eliminan de las aguas residuales, haciéndolas menos contaminadas. El subproducto de la descomposición aeróbica de la materia orgánica es el dióxido de carbono (CO ₂).

Las bacterias anaerobias requieren un ambiente que no tenga oxígeno libre o combinado. El oxígeno libre es cuando hay exceso de oxígeno disuelto en el agua y está disponible como O ₂. El oxígeno combinado es cuando la molécula de oxígeno está unida a otro elemento. Un ejemplo común de oxígeno combinado en las aguas residuales es el nitrato (NO ₃). En condiciones anaeróbicas, no hay absolutamente ningún oxígeno disponible para la bacteria para la respiración. El subproducto de la descomposición anaeróbica es el gas metano.

Las bacterias facultativas tienen la capacidad de prosperar en condiciones aeróbicas o anaeróbicas. Si bien prefieren las condiciones aeróbicas, tienen la capacidad de adaptarse cuando no hay oxígeno disponible y sobrevivir en condiciones anaeróbicas.

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 tardaría en descomponer 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.

Los sistemas de tratamiento de lodos activados consisten en un tanque de aireación seguido de un clarificador secundario. Estos dos tanques proporcionan una función única, pero también trabajan juntos para reducir el DBO ₅ en las aguas residuales. En los tanques de aireación, el oxígeno se difunde en el agua para que las bacterias puedan sobrevivir en condiciones aeróbicas. Los difusores de aire también mantienen la bacteria en suspensión para que pueda estar continuamente en contacto con las aguas residuales entrantes. En los clarificadores secundarios, las bacterias serán separadas de las aguas residuales tratadas. Las aguas residuales tratadas continuarán hasta la etapa de tratamiento terciario. La mayoría de las bacterias asentadas serán devueltas al inicio de los tanques de aireación. En el clarificador, las bacterias estuvieron estresadas por falta de alimentos y oxígeno. Comienzan a someterse a respiración endógena y están tan hambrientos que comienzan a descomponer sus propias células para sobrevivir. Cuando las bacterias estresadas se reintroducen en los tanques de aireación, ahora se encuentran en un ambiente con abundante oxígeno y comida. Estas bacterias ahora comenzarán rápidamente a descomponer los desechos orgánicos en las aguas residuales mucho más rápido que antes.

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.

Residuos de lodos activados

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.

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 DBO ₅ en las aguas residuales entrantes y la cantidad de microorganismos disponibles para consumir ese alimento está determinada por la cantidad de MLSS en el 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.

Tiempo medio de residencia celular

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; típicamente en un período de 24 horas.

Revisión de Principios Básicos de Operación

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 BOD ₅ 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 DBO ₅ 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 DBO entrante ₅. Esto conducirá a un mal tratamiento y el efluente tendrá una alta concentración de DBO ₅. Los operadores no pueden disminuir la cantidad de DBO ₅ 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”.

Sustancias Toxicas

Las sustancias tóxicas pueden ser perjudiciales para la eficacia de los sistemas de lodos activados. El tratamiento de lodos activados se basa en bacterias vivas para alimentar los desechos orgánicos, eliminándolos así de las aguas residuales. Si se introducen sustancias tóxicas en el sistema de lodos activados, las bacterias pueden morir. Sin una población significativa de bacterias, no se consumirán los desechos orgánicos y el efluente de la planta de tratamiento tendrá altas cantidades de DBO ₅.

Las sustancias tóxicas pueden incluir metales pesados, pesticidas, altas concentraciones de sales, cianuro, PCB y otros químicos. Estas sustancias tóxicas, si se introducen en el sistema de recolección de aguas residuales, serán enviadas a la planta de tratamiento de aguas residuales y pueden destruir la población de bacterias que tratan los desechos orgánicos. Para evitar que sustancias tóxicas ingresen al sistema de recolección, los municipios contarán con programas de pretratamiento. Estos programas contarán con un componente de divulgación pública para informar a la comunidad sobre su infraestructura de aguas residuales y los daños que puede causar si se vierten productos químicos y otros materiales tóxicos por el desagüe. Además de los desechos domésticos, los programas de pretratamiento también trabajarán en estrecha colaboración con las instalaciones de fabricación y procesamiento para garantizar que no estén descargando materiales tóxicos en el sistema de recolección de aguas residuales.

Tratamiento de Oxígeno Puro

Muchas plantas de tratamiento utilizan sopladores de aire o aireadores de superficie para proporcionar oxígeno a las bacterias en los tanques de aireación. Estos sistemas proporcionan oxígeno que está en la atmósfera y lo difunde hacia las aguas residuales del tanque. Un inconveniente de estos métodos es que nuestra atmósfera es sólo alrededor del 21% de oxígeno. La mayor parte de la atmósfera es nitrógeno. Tener un sistema de oxígeno puro es más eficiente porque las concentraciones de oxígeno pueden ser tan altas como 99% de oxígeno puro. Sin embargo, hay muchos inconvenientes en las plantas de oxígeno puro. En primer lugar, se necesitará equipo adicional para crear oxígeno puro. Este equipo tendrá costos eléctricos, de mantenimiento y operativos asociados a él. En segundo lugar, el oxígeno puro puede ser extremadamente peligroso de tratar. A purezas más altas el oxígeno puede ser explosivo. Se debe tener especial precaución para garantizar que no haya chispas, aceite u otros contaminantes cerca de los generadores de oxígeno puro.

Tratamiento Biológico Mejorado

Si las aguas residuales tratadas que salen de una instalación de tratamiento se descargan en una masa de agua deteriorada, lo más probable es que el permiso NPDES tenga límites en amoníaco, nitrógeno y fósforo. Estos nutrientes a altas concentraciones pueden causar eutrofización en un cuerpo de agua. La eutrofización ocurre cuando hay un exceso de nutrientes en un cuerpo de agua que impulsa el crecimiento de algas. La población de algas quedará fuera de control y consumirá oxígeno disuelto en el cuerpo de agua hasta el punto en que los peces y otras especies acuáticas no puedan sobrevivir. El nitrógeno y el fósforo se pueden eliminar de la planta de tratamiento mediante la utilización de procesos de eliminación biológica de nutrientes (BNR).

Eliminación de Nitrógeno

El nitrógeno se puede eliminar de las aguas residuales haciendo ligeras modificaciones en el proceso de tratamiento de lodos activados. El nitrógeno ingresa a la planta de tratamiento como amoníaco (NH ₃). En el tanque de aireación, las bacterias aeróbicas nitrificarán este amoníaco para crear nitrito (NO ₂) y nitrato (NO ₃). En una planta bien operada, la mayoría del nitrógeno formado es nitrato. Luego, las aguas residuales se transportan a un tanque anóxico. Anoxico significa que el ambiente donde viven las bacterias no contiene oxígeno disuelto libre sino que hay oxígeno combinado. El oxígeno combinado se debe al NO ₃ enviado al tanque desde los tanques de aireación. En esta condición anóxica, las bacterias facultativas rompen el enlace NO ₃ y utilizan el oxígeno para la respiración. Las moléculas de nitrógeno se combinan para formar gas nitrógeno (N ₂) que se ventila de nuevo a la atmósfera. Recordemos que 78% de la atmósfera de la Tierra es gas N ₂.

Los tanques anóxicos en un sistema BNR se pueden colocar en varias configuraciones diferentes. Dado que el proceso de nitrificación se requiere primero para crear el NO ₃, uno esperaría tener los tanques anóxicos después de los tanques de aireación. Si bien hay plantas de tratamiento que operan de esta manera, puede requerir productos químicos adicionales ya que el proceso de desnitrificación requiere una cierta cantidad de carbono para que las bacterias se alimenten. La cantidad de carbono disponible en las aguas residuales se puede medir por el CBOD ₅ o la demanda bioquímica carbonosa de oxígeno. Al final del tanque de aireación, las bacterias aeróbicas han reducido significativamente la cantidad de CBOD ₅ en las aguas residuales. Una alternativa de proceso es tener el tanque anóxico antes del tanque de aireación. Las aguas residuales al final del tanque de aireación que han sido nitrificadas se reciclan luego de nuevo al tanque anóxico. Aquí, las aguas residuales frescas con altas cantidades de CBOD ₅ se mezclan con el NO ₃ y las condiciones serán las adecuadas para que se produzca la desnitrificación. Esto también disminuirá las demandas de aireación ya que parte del CBOD ₅ se reducirá en los tanques anóxicos antes de que ingrese al tanque de aireación. Un inconveniente es que no todo el nitrato será capturado y enviado de vuelta al tanque anóxico. Por lo tanto, otro proceso configurado es tener zonas alternas de anóxica, aeróbica, anóxica, aeróbica.

Fosforo

El fósforo también se puede reducir en una instalación de tratamiento de aguas residuales bien operadas. La cantidad de fósforo que ingresa a la instalación determinará el nivel de tratamiento requerido. Gran parte del fósforo se puede eliminar durante los procesos de sedimentación primaria y secundaria. Si se requiere más eliminación de fósforo, entonces las plantas de tratamiento pueden utilizar una eliminación biológica mejorada de fósforo (EBPR). EBPR utiliza bacterias acumuladoras de polifosfato (PAO) que, en condiciones anaerobias, acumularán fósforo en sus células y lo eliminarán de las aguas residuales. Una configuración típica de un proceso EBPR es el RAS y las aguas residuales afluentes se mezclarán en un tanque anaeróbico donde se produce la reducción de fósforo. Luego, las aguas residuales ingresan al tanque anóxico donde el RAS, las aguas residuales afluentes y el efluente nitrificado de los tanques de aireación crean el ambiente ideal para la desnitrificación. Entonces todo se transporta a los tanques de aireación donde se agrega aire libre disuelto. El amoníaco entrante se nitrifica a NO ₃ y se reduce el DBO ₅ restante.