Lección 1. Procesos aerobios

3. PROCESOS AEROBIOS

 

3.1. FANGOS O LODOS ACTIVADOS

En este tratamiento las aguas a tratar se introducen en un reactor donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. En el reactor se produce la transformación de los nutrientes en tejido celular y diversos gases. La demanda de oxigeno se atiende mediante difusores o aireadores mecánicos.

Las bacterias constituyen el grupo más importante de microorganismos en el proceso de lodos activados, siendo muy comunes la de los géneros Alcaligenes flavobacterium, bacillus y pseudonomas, otros microorganismos presentados son los hongos.

La comunidad de los lodos activados es muy variable y depende de:

1. Naturaleza del suministro alimenticio

2. Concentración del alimento

3. Turbulencia

4. Temperatura

5. Tiempo de aireación

6. Concentración de lodos

 

En la figura No. 35 se esquematiza el proceso de lodos activados.

 

 

Las aguas residuales crudas fluyen en el tanque de aireación con su contenido de materia orgánica (DBO) como suministros alimenticios. Las bacterias metabolizan y producen residuos y nuevas bacterias utilizando oxígeno disuelto y liberando dióxido de carbono. Los protozoos consumen bacterias para obtener energía y reproducirse. Una porción del crecimiento bacteriano muere, liberando su contenido celular en la solución para una nueva síntesis de células microbiales. La mezcla liquida, aguas residuales con flock biológico en suspensión es separada en un sedimentador; se recircula flock sedimentado continuamente al tanque de aireación y se descarga el efluente clarificado.

El sistema de lodos activados es un proceso estrictamente aerobio.

Con la figura No. 36 se indica el esquema del flujo del proceso biológico convencional de lodos activados.

 

En este sistema el tanque de aireación tiene un tamaño fijo y por consiguiente un tiempo de retención fijo para un caudal determinado. Dentro de dicho periodo de retención se efectuará la actividad biológica de los microorganismos. En un proceso de lodos activados, tipo cochada, cuando comienza la aireación la relación Alimento/microorganismo (A/M) es muy grande, los microorganismos están ante un exceso de alimento permitiéndole su reproducción y aumento rápido (logarítmico) de la población. A medida que se consume el alimento y se producen nuevas células la relación A/M disminuye y se llega a un punto en que el alimento ya no se encuentra en exceso sino que empieza a ser el factor limitante, inicia entonces la fase de decrecimiento, algunas células comienzan a perecer y el flock empieza a formarse. La concentración de alimento continúa disminuyendo, la relación A/M alcanza un valor mínimo y se inicia la fase endógena (muerte bacteriana), durante la cual los microorganismos son incapaces de obtener suficiente energía del alimento remanente en el residuo y comienzan a metabolizar sus propias reservas de alimento (lisis), aumentando rápidamente la tasa de formación de flock biológico. Si el tiempo de aireación se prolonga lo suficiente, todas las formas biológicas morirían y solamente permanecerían la porción inerte de las células. El proceso de lodos activados nunca se deja llevar a tales extremos, puesto que se requerirían tiempo de retención de varios meses.

En general, cuando se obtiene la fase endógena, el flock biológico formado es separado de la fracción líquida mediante sedimentación y recirculado al tanque de aireación. La recirculación del flock biológico concentrado hace que la concentración de microorganismos sea mayor que la inicial; la relación A/M será también menor que la relación inicial y las bacterias empiezan de nuevo el periodo de crecimiento. Si el tiempo de aireación permaneciera constante, el sistema progresaría poco a poco dentro de la fase endógena y se obtendría una mejor floculación y un efluente más claro.

El tamaño del tanque de aireación, en un proceso de lodos activados, debe ser suficiente para permitir que los microorganismos alcancen la fase endógena durante los periodos de caudal máximo y máxima carga orgánica. Si el tanque de aireación no es lo suficientemente grande como para que esto ocurra el efluente se hará turbio, pues se perderán microorganismos. Solucionar la oscilación y desequilibrios frecuentes de los microorganismos es el problema básico para un diseño adecuado y una operación exitosa de las unidades de lodos activados.

La aireación, de los reactores de lodos activados, tiene como propósito:

 

  • Suministrar oxigeno a las células.
  • Mantener las células en suspensión. Mantener en contacto íntimo el residuo de los lodos activados.

 

En tanque de aireación es el corazón del proceso de lodos activados, y debe ser del tamaño adecuado para proporcionar suficiente tiempo de retención, usualmente 0,5 a 24 horas, dependiendo del tipo de proceso.

El proceso de lodos activados es un proceso aerobio, y por ello es necesario mantener condiciones aerobias en todo el tanque de aireación, sosteniendo un nivel de Oxígeno disuelto (OD) mínimo de 0,5 mg/L en todo punto del tanque. Esto se logra manteniendo una concentración de 2 mg/L de OD en el efluente del tanque de aireación.

El suministro adecuado de oxigeno busca el predominio de clases óptimas de organismos en el sistema y asegurar que sus productos de descomposición sean estables. La falta de oxigeno trae como resultado un efluente turbio puesto que los protozoos, por ejemplo, no se desarrollan y se promueve el crecimiento de bacterias filamentosas, las cuales retardan la sedimentación del flock. Por otra parte, es importante un suministro adecuado de aire para mantener un contacto íntimo entre el residuo y el lodo activado y hacer que el proceso funcione, así como también para que los sólidos estén en suspensión y no permitir su asentamiento dentro del tanque de aireación.

Para diseño, en general, las normas recomiendan que el equipo de aireación sea capaz de mantener un mínimo de 2 mg/L de OD en el licor mezclado, en todo momento y proporcione una mezcla vigorosa del contenido de agua en el tanque de aireación.

Requisitos nutricionales: En todo proceso de tratamiento biológico se requiere que los microorganismos reciban los elementos necesarios para formar el protoplasma, algunas aguas residuales contienen los elementos suficientes, existen otros afluentes que presentan deficiencias principalmente en Nitrógeno y fósforo, ocasionando graves problemas de crecimiento bacteriano y por tanto de remoción.

Teóricamente, una relación de DBO/N/P de 100/5/1 es adecuada para tratamiento aerobio, con pequeñas variaciones según el tipo de proceso de tratamiento y modo de operación. Para tratamiento en procesos de mezcla completa de lodos activados se ha sugerido una relación DBO/N/P de 100/3,0/0,7.

Cuando un agua residual presenta deficiencias en estos elementos se suministra Nitrógeno en forme de urea o amoniaco deshidratado, y si se requiere fósforo se agrega ácido fosfórico (H3PO4).

Entre los microorganismos que degradan la materia orgánica presente en el agua residual, existe un grupo de bacterias llamadas filamentosas, que poseen la propiedad de expandirse y aumentar su área superficial, permitiéndoles tomar mayor cantidad de alimento. Esta característica hace que dichas especies adquieran mayor flotabilidad pero que a la vez pierdan sedimentabilidad.

Este inconveniente puede ser debido a:

Problemas de diseño: Tiempo de retención hidráulica inadecuado.

Problemas Operativos: inapropiada recirculación, formación de zonas sépticas, incorrecta concentración de oxígeno, o cualquier otro inconveniente causado por la persona encargada de operar la planta.

Si la cantidad de organismos filamentosos presentes es elevada, podemos encontrarnos con dos tipos de problemas biológicos:

1) Esponjamiento filamentoso o bulking

Se produce debido al crecimiento excesivo de bacterias filamentosas, que hace que las mismas interfieran en la compactación del flóculo en el decantador secundario, provocando problemas de sedimentación, ya que las mismas forman entramados, flotando en la superficie. Por este motivo, resulta primordial, analizar la muestra, a través de la observación microscópica, como método de detección de estos microorganismos.

Los métodos biológicos, mecánicos y químicos que se pueden aplicar para solucionar las dificultades ocasionadas por la presencia de bulking son los siguientes:

Biológicos:

- Agregar bacterias comerciales que compitan y degraden a las filamentosas. -Adicionar a los otros microorganismos presentes en el agua a tratar, potenciadores de crecimiento, como por ejemplo, ácido fólico, ya que las bacterias filamentosas no lo aprovechan de manera apropiada.

Mecánicos:

- Airear

-Recircular

- Eliminar zonas muertas

Químicos -Colocar microbicidas (por ejemplo Cloro) para eliminar a los microorganismos en cuestión -Ajustar los nutrientes.

- Efectuar los procesos de coagulación y floculación en la salida del sedimentador secundario

 

2) Espumamiento biológico o Foaming:

Se produce debido a que los microorganismos filamentosos originan una espesa espuma coloreada (en colores del blanco al marrón) y en muchos casos, abundantes flotantes, que hacen que el lodo no sedimente. Generalmente se debe a la presencia de Nocardias y Gordonas, dos organismos filamentosos. Por este motivo, al igual que en el caso de bulking, es muy importante mandar a analizar la muestra para saber las especies existentes en el efluente y con base a los resultados corregir dicho inconveniente.

Los métodos que se pueden utilizar, en este caso, para solucionar dicha dificultad, son los siguientes:

Biológicos

-Adicionar a los otros microorganismos presentes en el agua a tratar, potenciadores de crecimiento, como por ejemplo, el ácido fólico, ya que las bacterias filamentosas no lo aprovechan bien.

Mecánicos

-Disminuir la aireación

-Incorporar lluvia con inyección de aire y antiespumante

-Recircular

Químicos

-Colocar microbicidas (por ejemplo Cloro) para eliminar a los microorganismos que causan problemas

 

3.2. LAGUNAS AIREADAS

En las lagunas aireadas se utilizaba un depósito excavado en el terreno, de profundidad entre 2 y 5 m, y el oxigeno necesario se introduce con aireadores de superficie o bien mediante difusores. El proceso es esencialmente el mismo que el de lodos activados. Una laguna aireada se diseña como laguna aerobia, con un dispositivo mecánico lo suficientemente potente para mantener los lodos en suspensión, o facultativa o de mezcla incompleta cuando el dispositivo apenas genera turbulencia y permite la sedimentación de sólidos, un sistema de tratamiento de lagunas aireadas, permite obtener remociones de DBO mayores del 90 % y remociones de coliformes del 90 al 95 % con periodos de aireación de 2 a 6 días.

Las lagunas aireadas surgieron como solución a los problemas de malos olores existentes en las lagunas naturales de oxidación. En lagunas aireadas, con alta temperatura y bajas cargas, es posible obtener un grado alto de nitrificación.

En el pasado, las lagunas aireadas solían ir seguidas de grandes estanques de sedimentación y sin recirculación de lodos, en la actualidad se utilizan muchas lagunas aireadas complementadas con instalaciones de sedimentación e incorporando recirculación de sólidos biológicos.

En la figura No. 37 se encuentra el esquema de tratamiento de una laguna aireada.

 

 

 

3.3. ZANJONES DE OXIDACION

El zanjón de oxidación es un proceso de lodos activados, del tipo de aireación prolongada, que usa un canal cerrado, con dos curvas, una para la aireación y mezcla y la otra para la sedimentación. Como equipo de aireación y circulación del licor mezclado usa aireadores mecánicos del tipo cepillos horizontales, de jaula o de discos.

La planta típica de un zanjón de oxidación no incluye sedimentación primaria, utilizan un solo canal concéntrico, un sedimentador secundario y lechos de secado de lodos. Los canales de aireación tienen profundidades entre 1,2 y 1,8 m con paredes laterales a 45°; sin embargo, se construyen también canales más profundos de 3,0 a 3,6 m. En general el zanjón se reviste de concreto o de otro material apropiado para prevenir la erosión y la infiltración. Los aireadores pueden instalarse fijos o flotantes, sobre uno o más sitios a lo largo del canal para suministrar suficiente velocidad dentro del zanjón, generalmente mayor de 0,30 m/s, así como para mantener el nivel de oxigeno disuelto requerido y los sólidos del licor mezclado en suspensión. La mayoría de los cepillos opera a velocidades de 60 a 110 RPM, sumergidos 5 a 30 cm, y producen tasas de transferencia de oxigeno entre 1,5 y 10 kg O2/h. Generalmente se instalan dos aireadores como mínimo para asegurar la aireación permanente del licor mezclado. La unidad de salida del sedimentador puede ser una caja con una compuerta de madera que permita variar el nivel del agua en el zanjón y ajustar la inmersión de las paletas del cepillo de aireación. Para el sedimentador secundario se utilizan cargas superiores de diseño de 15 a 20 m3/d para caudales promedio y de 40 a 80 m3/d para caudales pico; se recomiendan profundidades de 3,0 a 4,2 m. El zanjón de oxidación, adecuadamente diseñado y operado, prevee remociones promedio de DBO y SS mayores del 85%; tiene capacidad de afectar un nivel alto de nitrificación por el tiempo de retención prolongado (24 horas) y contar con edades de lodos mayores de diez días. El zanjón de oxidación también se ha usado para remover nitrógeno mediante la producción de zonas aerobias y anóxicas dentro del canal, controlando la tasa de transferencia de oxigeno para que el OD de licor mezclado se agote en una porción del canal de aireación. La fuente de carbono para la desnitrificación, en la zona anóxica, se provee, en estos casos, alimentando el residuo crudo al canal, aguas arriba del inicio de la zona anóxica; con una operación cuidadosa se pueden lograr remociones de nitrógeno del 80%. Para una construcción económica, el zanjón debe localizarse con su longitud en paralelo con las curvas de nivel y el terreno debe permitir flujo por gravedad.