Qué elimina el proceso de lodos activados
El proceso de lodos activados es la etapa biológica que se usa en la mayor parte de las aguas residuales municipales y en muchas aguas residuales industriales. Tres partes lo sostienen: un tanque de aireación, donde el caudal se mezcla con un cultivo suspendido de microorganismos; un clarificador, donde ese cultivo sedimenta fuera del agua tratada; y una línea de retorno que lleva el lodo sedimentado de vuelta al tanque.
Esa población cumple dos funciones: oxida la materia orgánica biodegradable que describen las cifras de DBO y DQO y, donde el lodo se retiene el tiempo suficiente, oxida el amoniaco a nitrato. La nitrificación es lo que convierte la edad del lodo en una decisión de diseño y no en una cifra de operación. Una tercera función, convertir el nitrato en gas nitrógeno, necesita una zona sin oxígeno disuelto y se trata en el artículo de A²/O.
Las cuatro decisiones siguientes son los controles de diseño de ese cultivo, y no son independientes: cada una escribe el mismo balance de masa, y por eso fijar una de forma aislada produce un tanque demasiado pequeño, con aireación insuficiente o incapaz de retener sus propios sólidos.
Decisión uno: la edad del lodo en el tratamiento de aguas residuales
La edad del lodo es el tiempo promedio que una partícula de sólidos permanece en el sistema: la masa de sólidos retenida en el tanque de aireación y el clarificador dividida entre la masa que se extrae cada día, en días. También se llama tiempo de retención de sólidos, o TRS.
Es el control que decide la mayor parte del resto. Una edad corta mantiene el cultivo joven y de crecimiento rápido: más lodo en exceso y sin tiempo para establecer los organismos de crecimiento más lento. Los nitrificantes crecen más despacio que los organismos que eliminan materia orgánica, así que una planta que debe nitrificar tiene que retener su lodo el tiempo suficiente para que aquellos se conserven en lugar de ser arrastrados; la edad necesaria aumenta a medida que el agua se enfría.
Las cifras que se citan habitualmente sitúan los lodos activados convencionales en unos 5 a 15 días y la aireación extendida en unos 20 a 30 días. Esos rangos describen la práctica común, no su agua, y deben leerse como un método de partida y no como una especificación. La edad que necesita una planta se deriva del requisito del efluente — si el amoniaco debe oxidarse y a qué temperatura de invierno — y de qué tan bien sedimenta el lodo.
Cómo determinarla: partir de la norma de vertido y trabajar hacia atrás hasta el organismo más lento que la planta deba retener en el agua más fría que verá, y luego confirmarla en la planta en operación, donde los sólidos del licor mezclado y la purga de lodos diaria dan la edad que realmente se opera.
Decisión dos: la relación alimento-microorganismo en el tratamiento de aguas residuales
La relación alimento-microorganismo, escrita A/M en casi todas partes, es la masa de alimento que llega cada día dividida entre la masa de organismos que se mantiene para consumirlo: DBO, ocasionalmente DQO, sobre sólidos suspendidos del licor mezclado, en kilogramos de DBO por kilogramo de MLSS por día.
A/M y la edad del lodo son el mismo control visto desde dos lados: si se retiene más lodo frente a la misma carga, la relación baja; si se purga más lodo, sube. Una relación alta favorece el crecimiento rápido, un flóculo voluminoso y más lodo en exceso; una relación baja significa que el alimento escasea, el crecimiento es más lento, el cultivo es más estable y la nitrificación es más fácil de mantener, hasta que el flóculo se vuelve puntiforme y lento para sedimentar.
Las cifras de partida que se citan a menudo para una planta convencional rondan 0.2 a 0.4 kg DBO por kg MLSS por día, con la aireación extendida más baja, del orden de 0.05 a 0.15. Deben leerse como un método de partida y no como una especificación: la carga de la relación es su afluente, no uno típico.
Cómo determinarla: la relación rara vez es un valor de consigna por sí misma. Se calcula a partir de la carga de diseño y la concentración de sólidos que mantendrá el tanque, y se verifica con el registro de operación — caudal y DBO del afluente junto con los sólidos suspendidos del licor mezclado. Cuando el análisis del afluente es incierto, la tabla de calidad del afluente de diseño indica qué cifras vale la pena confiar.
Decisión tres: la tasa de lodo activado de retorno
La tasa de retorno es el caudal de lodo sedimentado que se bombea desde el fondo del clarificador de vuelta al tanque de aireación, y suele expresarse como una relación respecto al caudal entrante. Sin ella, los organismos que hacen el trabajo salen con la purga de lodos y la población del tanque de aireación cae hasta que el proceso falla.
La tasa fija dos cosas a la vez: los sólidos suspendidos del licor mezclado con que opera el tanque de aireación, porque el lodo devuelto a un volumen dado fija esa cifra, y la carga hidráulica sobre el clarificador, porque cada litro devuelto pasa por él dos veces. Si se retorna muy poco, el manto de sólidos sube hasta que los sólidos salen con el efluente; si se retorna demasiado, el clarificador se sobrecarga, lo que arrastra el manto con la misma eficacia.
La tasa se deriva de la concentración de sólidos que necesita el tanque y de la concentración del lodo que se retorna, y la segunda es una propiedad del lodo, no de la bomba. La sedimentabilidad se mide como índice de volumen de lodos, y un lodo que sedimenta bien puede retornarse con una relación más baja. Para una planta convencional se citan comúnmente relaciones del orden de 0.5 a 1 veces el caudal del afluente, y la relación debe seguir al lodo que la planta realmente produce.
Conviene trazar aquí una línea: la línea de lodo de retorno no es el reciclo interno que lleva el licor nitrificado a una zona anóxica. A ambas se les llama reciclo, y hacen cosas opuestas: una devuelve el cultivo, la otra devuelve nitrato.
Decisión cuatro: el tanque de aireación en una planta de tratamiento de aguas residuales
El tanque de aireación es donde las tres primeras decisiones se vuelven concreto. Su volumen es la masa de sólidos que la planta debe retener, que deciden la edad del lodo y la carga, dividida entre la concentración de sólidos suspendidos del licor mezclado con que operará el tanque. De ahí se siguen dos consecuencias que de otro modo parecen reglas empíricas: una concentración mayor de licor mezclado permite tratar la misma carga en un tanque más pequeño, y una edad del lodo más larga a concentración fija necesita uno más grande.
El volumen es solo la mitad de la decisión. El tanque también debe aportar oxígeno, y la demanda tiene dos partes: la carbonosa, que sigue a la carga orgánica realmente oxidada, y la nitrogenada, que aparece cuando la planta nitrifica. Oxidar el amoniaco a nitrato consume una cantidad fija de oxígeno por kilogramo de nitrógeno, del orden de 4.57 kg. Una planta a la que se pide nitrificar necesita, por tanto, más aire del que bastaría solo para la eliminación de carbono.
Las cifras de licor mezclado que se citan habitualmente son del orden de 2000 a 4000 mg/L para los lodos activados convencionales y de 3000 a 6000 mg/L para la aireación extendida. Deben leerse como un método de partida y no como una especificación: la concentración que su clarificador puede mantener sin perder sólidos es el límite real, y se determina en la planta y no a partir de una tabla.
Cómo determinarla: la demanda de oxígeno proviene de la carga eliminada y del nitrógeno oxidado, y luego de la eficiencia de transferencia de los difusores a la profundidad de ese tanque, que es específica de cada equipo.
Por qué las cuatro se mueven juntas
Un cambio en cualquiera de las cuatro llega a las otras tres:
- Si se aumenta la edad del lodo, el tanque debe retener más sólidos, con una concentración de licor mezclado más alta o en un volumen mayor.
- Si se aumenta la concentración de licor mezclado, la tasa de retorno sube con ella, lo que carga más el clarificador.
- Si se baja la relación alimento-microorganismo, la eliminación de materia orgánica se vuelve más completa, pero aparece la demanda de nitrificación y el requerimiento de aire puede subir.
- Si se lleva cualquiera de las tres más allá de lo que el lodo puede sedimentar, los sólidos salen por el vertedero, diga lo que diga el plano.
El orden del trabajo se sigue de esto: el requisito del efluente fija la edad del lodo, la edad del lodo y la carga fijan la masa de sólidos, el clarificador fija la concentración que puede mantener, y la masa junto con la concentración fija el volumen.
Errores comunes
- Dimensionar el tanque solo por el tiempo de residencia, cuando dos tanques con el mismo tiempo de retención retienen cantidades muy distintas de biomasa.
- Fijar una edad del lodo que conviene a los nitrificantes a temperatura de verano, cuando la edad mínima de nitrificación aumenta a medida que el agua se enfría.
- Tratar el retorno de lodos como una selección de bomba.
- Leer la relación solo a partir de la carga de diseño, cuando el registro de operación es la medición.
- Suponer que la planta operará a la concentración de licor mezclado de diseño cuando el clarificador no puede mantenerla.
- Dejar el clarificador fuera del cálculo: su área superficial fija el techo de la concentración que el tren puede sostener.
- Copiar una edad del lodo de una planta que trata otra agua, cuando la edad, la concentración y la sedimentabilidad van juntas.
Autoverificación antes de fijar los números
- ¿El requisito del efluente está escrito como lo que debe eliminarse — orgánicos, amoniaco, nitrógeno, fósforo — y no como el nombre de un proceso?
- ¿La temperatura de diseño es la más fría a la que operará la planta?
- ¿La edad del lodo en el tratamiento de aguas residuales se fija a partir del organismo más lento que la planta debe retener a esa temperatura?
- ¿La concentración de licor mezclado es una que el clarificador puede mantener, verificada contra el índice de volumen de lodos esperado?
- ¿La tasa de lodo activado de retorno se derivó de la concentración objetivo y de la concentración del lodo de retorno?
- ¿La relación alimento-microorganismo en el tratamiento de aguas residuales se calcula a partir de la carga de diseño y del licor mezclado que el tanque realmente mantendrá?
- ¿La demanda de oxígeno se construyó a partir de la carga de carbono y de la carga de nitrógeno por separado?
- ¿Se estimó la producción de lodo en exceso, para conocer la función de purga y deshidratación?
- ¿El tanque de aireación en una planta de tratamiento de aguas residuales se dimensiona a partir de la masa de sólidos y la concentración juntas, y no de un tiempo de residencia?
De cuatro números a un tanque de aireación
Las cuatro decisiones terminan en un volumen, una concentración y una demanda de aire. La tabla de volumen de tanque y TRH convierte un tiempo de residencia en un volumen de tanque, y la guía de selección y dimensionamiento de plantas recorre el mismo terreno a partir del caudal de diseño y la norma de vertido. Cuando la función es lo bastante pequeña para construirse como un solo paquete, la página de equipos MBR integrados cubre la versión con membranas del mismo proceso. Cuánto de su función cubre una sola unidad se confirma con la fábrica para su caudal de diseño, análisis del afluente y norma de vertido, en lugar de suponerlo a partir de una tabla.