LODOS ACTIVADOS I TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
- 2. Lodos activados Los procesos de lodos activados consisten en una masa floculante de microorganismos muy variados como bacterias, hongos y protozoos; materia orgánica muerta y materiales inorgánicos. Este sistema posee una superficie altamente activa para la adsorción de materiales coloidales y suspendidos.
- 3. • La remoción inicial se debe a la adsorción pues el material sintetizado es directamente proporcional a la oxidación biológica. • La materia orgánica inicialmente, no oxidada ni utilizada en síntesis es almacenada en el floc biológico. • El resultado final es una porción de materia orgánica, susceptible de descomposición biológica, convertida en compuestos inorgánicos y el resto transformada en lodo activo adicional. • El lodo deja de ser activo cuando se ha usado la capacidad de almacenamiento total del lodo. La actividad se recupera después de un periodo de aireación en el cual el material orgánico se emplea en oxidación y síntesis, este proceso de aireación (estabilización del lodo) restablece la actividad y estimula la capacidad adsortiva
- 4. Las bacterias son el grupo mas importante de m.o en el proceso de lodos activados, estabilizan el material orgánico y la formación del floc de lodo activo. En el proceso de purificación son importantes las bacterias nitrificantes (Nitrosomonas, Nitrobacter y Zooglea ramigera) influyentes en la formación del lodo activo por su habilidad de formar floc biológico, estos no son los únicos m.o formadores del floc. El problema mas común en los tratamientos biológicos aerobios es la sedimentación pobre de lodos activados asociados con crecimientos filamentosos los cuales producen floc biológico flotante. La presencia de bacterias filamentosas es adversa a las buenas características de sedimentabilidad del floc en lodos activados. Los hongos no abundan en el sistema de lodos activados, se presentan en agua residual con contenido deficiente de nitrógeno, de ese modo pueden ser los mayores responsables del tratamiento y aunque son tan efectivos como las bacterias, su asentamiento es mas difícil pues producen floc biológico flotante. Los protozoos, junto a bacterias son los microorganismos mas abundantes en lodos activados. Algunos son saprobicos facultativos y compiten con bacterias por el material orgánico. Otros son holozoicos y usan material biológico solido como alimento, los protozoos mas comunes son los flagelados
- 5. La comunidad microbiana en los lodos activados puede ser 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. Las A.R crudas fluyen en el tanque de aireación con su contenido de materia orgánica (DBO) como suministro alimenticio. Las bacterias metabolizan los residuos produciendo nuevas bacterias, utilizando oxigeno disuelto y liberando dióxido de carbono. Los protozoos consumen bacterias para obtener energía y reproducirse. Una porción de las bacterias muere liberando su contenido intracelular en la solución para una nueva síntesis en células microbianas. La mezcla liquida de agua residual con floc biológico en suspensión es separada en un sedimentador; se recircula el floc sedimentado continuamente al tanque de aireación y se descara el efluente clarificado. Una cantidad optima de floc biológico activo en presencia de un adecuado suministro de oxigeno, durante un periodo de tiempo conveniente seguido de la separación eficiente son los prerrequisitos del proceso.
- 6. El sistema lodos activados es estrictamente aerobio y la transferencia de oxigeno ocurre en dos etapas Las burbujas de aire se crean para introducir oxigeno en el liquido mediante la mezcla turbulenta. La tasa de transferencia de oxígeno del aire en oxigeno disuelto se puede calcular: R= Tasa de transferencia de oxigeno del aire en OD, mg/L. hora K= Coeficiente de transferencia, el cual depende del equipo de aireación y de las características del agua residual, hora β= coefieciente de saturación de oxigeno del agua residual, usualmente 0,8-0,9. Cs= Concentración de saturación de OD para agua limpia, mg/L. Ct= Concentración de OD existente en la mezcla de agua residual mg/L. (β Cs-Ct)=Déficit de OD mg/L. La tasa de utilización de OD es una función de la relación alimento/microorganismo (DBO/SSLM), del tiempo de aireación y de la temperatura. El consumo biológico generalmente es menor a 10mg/Lh, para procesos de aireación prolongada, 30mg/Lh para procesos convencionales y 100mg/Lh para procesos de tasa alta. La concentración critica de OD se toma generalmente igual a 0,5 mg/L, típicamente 0.2 a 2.0 mg/L; concentraciones menores a este valor inhiben el metabolismo microbiano aerobio
- 7. Diagrama del predominio relativo Suponiendo condiciones ideales: 20°C, pH entre 6.5 y 8.5 OD mayor de 2 mg/L, ausencia de sustancias toxicas y un reactor típico de cochada. A: el proceso comienza cuando se introducen las aguas residuales frescas al tanque y se inicia la aireación. Existen microorganismos pero ninguno predomina. B: los sarcodina, organismos primitivos, alcanzan su pico. Este organismo existe en gran numero solamente cuando el alimento es alto. C: los protozoos flagelados alcanzan su pico. Estos organismos son mucho mas activos que los sarcodina y consumen alimento a una tasa alta. D: los ciliados libres y las bacterias alcanzan su pico. Ambos subsisten con suministro alimenticio menor que el requerido por los protozoos flagelados. Esta es la zona de operación del proceso convencional de lodos activados. E: predominan los ciliados adheridos y los rotíferos. No existe suficiente alimento para sustentar la masa microbiana. Las células mueren. Los rotíferos y los ciliados adheridos pueden consumir las bacterias.
- 8. Sistema convencional de lodos activados El tanque de aireación tiene un tamaño fijo y por consiguiente un tiempo de retención fijo para un caudal determinado. El tiempo para la actividad biológica estará limitado a un período fijo para cada caudal de entrada. Dentro de dicho período de retención se efectuará la actividad biológica de los microorganismos, los cuales pasan por diferentes fases de desarrollo, dependiendo de la relación A/M y demás condiciones ambientales. En un proceso tipo cochada, cuando comienza la airea ción los microorganismos están ante un exceso de alimento, el crecimiento es en función del alimento, este inicialmente será máximo. La materia orgánica del residuo se utiliza con una máxima tasa Óptima de conversión de material orgánico en células nuevas; el nivel de energía es alto y mantendrá todos los microorganismos completamente esparcidos, haciendo difícil formar floc biológico de lodo activado durante el período de fase logarítmica. 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 es el factor limitante
- 9. El crecimiento microbiano pasa de la fase logarítmica a la de declinación, donde ocurre la muerte celular y la formación de floc. La concentración de alimento disminuye y el crecimiento microbiano es decreciente, la relación A/M alcanza valores mínimos lo que lleva a la fase endógena. En la fase endógena, los microorganismos recurren a metabolizar sus propias reservas de alimento, intensificando la formación de floc biológico que es separado mediante sedimentación y recirculado al tanque de aireación. La recirculación hace que la concentración de microorganismos sea mayor que la inicial y las bacterias empiezan de nuevo el período de crecimiento. Si el tiempo de aireación permaneciera constante, el sistema progresaría poco a poco dentro de la fase endógena y se obtendrían una mejor floculación y un efluente más claro. La remoción orgánica es más rápida en la fase de crecimiento logarítmico, mientras que la formación de floc es mejor en la fase endógena. Consecuen temente, el diseño del proceso y la operación de la planta deben tener en cuenta las variaciones de carga orgánica y de caudal en las aguas residuales afluentes.
- 10. Planta de lodos activados
- 11. • El tanque de aireación posee difusores de aire a lo largo de una pared, para oxigenación y mezcla en espiral. • El suministro de aire es gradual para proveer máxima aireación a la entrada por donde ingresan el afluente y los lodos recirculados. • Los difusores de burbuja se colocan a 2,5 m de profundidad o más, para proveer buena mezcla y adecuada transferencia de oxígeno. • El modelo de flujo en pistón produce una trayectoria de crecimiento biológico oscilante. • Período de aireación es de seis a ocho horas, y puede ser considerablemente más largo durante caudales El proceso tiene pocos problemas de inestabilidad cuando los caudales de aguas residuales son mayores de 2.000 m3 • El proceso convencional de lodos activados provee efluentes con DBO soluble menor de 15 mg/L y DBO total menor de 20 mg/L. • Se recomienda para efluentes de alta calidad y caudales mayores de 400 m3 / d (10) . Sistema convencional con aireación gradual
- 12. Sistema convencional con aireación escalonada El aire se suministra uniformemente a lo largo del tanque, el agua residual se introduce en tres o cuatro puntos en la primera porción del tanque de aireación, se busca distribuir uniforme mente la carga orgánica, obtener crecimiento y oxidación acelerada a lo largo del tanque y no solamente en el extremo de entrada. Mejora la transfe rencia de oxígeno, obtener mejor concentración de (N y P) en el efluente, e incrementar la masa microbiana. Posiblemente se obtenga una menor eficiencia en la sedimentación.
- 13. Proceso de mezcla completa Representa un intento de duplicar el régimen hidráulico de un reactor agitado mecánicamente. Se provee mezcla completa y continua, mediante airea ción mecánica o por difusores. Se busca minimizar los desequilibrios biológicos causados por variaciones horarias en la carga orgánica o hidráulica, en efluentes de pequeñas comunidades.
- 14. Proceso de Kraus Aplicado en el tratamiento de aguas residuales con alta concentración de carbohidratos y deficientes en nitrógeno. La concentración de carbohidratos ocasionaba deficiencia de nitrógeno, oxígeno y un floc de asentamiento pobre. Kraus propuso airear sobrenadante de los digestores de lodos con lodo digerido y con una porción del lodo recirculado, en un tanque separado de reaireación, durante 24 horas. El efluente del tanque de reaireación es descargado a este tanque con el agua residual cruda y con los lodos recircu lados logrando oxidar el nitrógeno amoniacal a nitratos, y por otra parte, los sólidos pesados del lodo digerido mejoran la sedimentabilidad del lodo del tanque de aireación. Proceso de tasa alta Es una modificación en la cual se combina una alta carga volumétrica con una concentración de sólidos suspendidos grande en el licor mezclado, cortos tiempos de retención, alta relación de A/M y edad de lodo reducida con el objeto de disminuir los costos de construcción en este tipo de plantas es necesario usar mezcladores de turbina además se requiere mayor capacidad del sedimentador segundario para compensar la menor sedimentabilidad del lodo
- 15. Proceso de estabilización y contacto El proceso consiste en mezclar las A.R crudas con lodo activo recirculado en un tanque aireado, durante 30 a 90 minutos durante los que los componentes orgánicos son adsorbidos por el floc biológico y no existe realmente actividad metabólica sino remoción por adsorción y absorción por el lodo. El lodo es separado del efluente tratado por sedimentación y el lodo recirculado es aireado, de 3 a 6 horas, en el tanque de estabilización. Durante el período de estabilización el material orgánico adsorbido se utiliza para producir nuevas células y energía, renovando las superficies activas del lodo para posterior adsorción. Una porción del lodo recirculado se desecha para mantener un nivel constante de sólidos suspendidos volátiles en el licor mezclado (SSVLM) en los tanques. El proceso permite reducir la capacidad del tanque de aireación convencional en mas o menos un 50% y se ha demostrado que opera bien con aguas residuales domésticas y residuos industriales con DBO suspendida o coloidal alta. se recomienda cuando el 85% de la DBO es removida después de un tiempo de contacto de 15 minutos con lodo activado aireado.
- 16. Proceso de aireación prolongada Opera con mezcla completa por ello se necesita una baja relación A/M, alta concentración de SSVLM y tiempo de aireación largo, generalmente es aplicable a plantas de tratamiento pequeñas para caudales menores a 400m3/d. Es el proceso más usado para plantas compactas prefabricadas que provean tratamiento para pequeñas comunidades, instituciones aisladas, escuelas, hoteles, etc. Teóricamente no habría problemas de tratamiento y disposición del lodo puesto que el lodo se digeriría por completo aerobiamente, ya que ocurrirá auto digestión o lisis en la fase endógena; sin embargo, puede requerirse la provisión de tratamiento y disposición del exceso de sólidos . Proceso de oxigeno puro En la practica, los tanques de aireación son cubiertos, con mezcla completa y el oxigeno introducido es recirculado. Debido a la producción de CO2 y a la utilización de oxígeno por los microorganismos, como resultado de su actividad metabólica, una porción del gas debe desecharse y reemplazarse con oxigeno puro. Los promotores del proceso señalan como ventajas del mismo una actividad bacteriana mayor, volúmenes de lodo y del tanque de aireación menores y mejor sedimentabilidad del lodo
- 17. Aireación • Tiene como propósito: Suministrar oxígeno a las células, mantener las células en suspensión y mantener en contacto iintimo el residuo con los lodos activos. • El tanque de aireación debe ser del tamaño adecuado para proporcionar suficiente tiempo de retención y es necesario mantener condiciones aerobias en todo el tanque de aireación, sosteniendo un nivel de OD mínimo de 0.5 mg/L en todo el punto del tanque. • El suministro adecuado de oxigeno busca predominar los organismos en el sistema y asegurar que sus productos de descomposición sean estables, el suministro deficiente de oxigeno trae consigo un efluente turbio pues los protozoos no se desarrollan y proliferan bacterias filamentosas que retardan la sedimentación del floc. • También es importante el 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. • Existen dos tipos principales de sistemas de aireación. Aireación por difusión subsuperficial: aireación producida en el licor mediante el aire que pasa a través de un difusor. Aireación mecánica: introducción de aire en el licor por medio de turbulencia creada por un equipo mecánico. 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.
- 18. Requisitos nutricionales La naturaleza de los compuestos orgánicos, en el agua residual que se va a tratar, determina la especie biológica predominante en el floc biológico de lodo activado. Teóricamente, una relación de DBO/N/P es de 100/5/1 es adecuada para tratamiento aeróbico, 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 100/3/0,7. En genera l , las aguas residuales domésticas exhiben un exceso de N y P, con relación de 100/17 /5, lo cual permite tratamiento biológico apro piado. Ejemplo. 1. Un A.R tiene las siguientes características: Se debe determinar la cantidad de cada uno de los suplementos nutricionales requeridos 3. El caudal que hay que tratas es de 10.000 m3/d y los compuestos disponibles para dosificación son: Solución 2. Relación deseable de DBO/N/P es de 100/5/1 Para el caudal de 10.000m3/d Por tanto hay que dosificar