Dos vistas de un mismo balance: la relación A/M y la edad del lodo en el tratamiento de aguas residuales
La relación alimento/microorganismos en el tratamiento de aguas residuales es la masa de alimento que llega cada día dividida entre la masa de organismos que se mantienen para consumirlo, expresada en kilogramos de DBO por kilogramo de sólidos suspendidos del licor mezclado por día. En algunas plantas industriales se usa DQO en lugar de DBO, y la elección importa: una relación A/M expresada respecto de la DQO no es comparable con una expresada respecto de la DBO.
La edad del lodo, llamada también tiempo de retención de sólidos (TRS) y tiempo medio de residencia celular, es la masa de sólidos retenida en el sistema dividida entre la masa que se retira de él cada día, en días. El sistema significa el tanque de aireación y el clarificador juntos, porque el manto de lodos del clarificador forma parte del inventario.
Las dos describen el mismo balance de masa desde extremos opuestos. Si se retiene más lodo con la misma carga, la relación baja mientras la edad sube; si se purga más lodo, la relación sube mientras la edad baja. Cuantitativamente están relacionadas a través del rendimiento observado del cultivo, que indica cuánto del alimento se convierte en organismos nuevos, y a través de su tasa de decaimiento, que indica cuánto de la población muere cada día. Esa relación es la razón por la que el par viaja junto en una hoja de diseño, y por la que una planta no puede mantener una relación baja con una edad corta del lodo ni una relación alta con una larga, sin importar cómo se opere.
Cómo se gira realmente cada control
La tasa de purga en los lodos activados es el control, y es el único. La bomba de lodo de recirculación determina dónde están los sólidos, no cuántos hay: mueve la misma población entre el clarificador y el tanque. La única extracción continua del sistema es el lodo de purga, junto con los sólidos que salen en el efluente. Una planta que ajusta su tasa de recirculación para cambiar la edad del lodo está ajustando la bomba equivocada.
La relación se puede mover con dos acciones distintas, y confundirlas es un error común. La purga cambia la masa total de sólidos y, por lo tanto, la edad y la relación a la vez. Aumentar la tasa de recirculación con la misma tasa de purga traslada sólidos del clarificador al tanque, lo que eleva la concentración a la que trabaja el tanque y baja una relación calculada solo sobre el tanque, mientras la edad del sistema no cambia. Ambos efectos son reales y actúan sobre números distintos.
El término del alimento es la parte que el operador no controla. Varía por hora, por día y por temporada, así que una relación siempre es un promedio de una cantidad en movimiento. Una relación de diseño se calcula sobre una carga de diseño, y la relación de operación se calcula sobre la carga que realmente llegó, y por eso las dos se registran en lugar de intercambiarse.
El tiempo de retención de sólidos en el tratamiento de aguas residuales y la relación A/M, lado a lado
Las cifras de partida que se citan habitualmente sitúan los lodos activados convencionales en una relación alimento/microorganismos de aproximadamente 0.2 a 0.4 kg de DBO por kg de MLSS por día y una edad del lodo de aproximadamente 5 a 15 días, con la aireación extendida más baja en relación, del orden de 0.05 a 0.15, y más larga en edad, del orden de 20 a 30 días. Léanse como un método de partida y no como una especificación. Lo que ilustran es el emparejamiento: la relación baja y la edad larga son la misma afirmación, y una hoja de diseño que cita una relación muy baja junto a una edad muy corta describe una planta que no se puede operar como está dibujada.
El emparejamiento también es una verificación de la carga. Dos plantas por lo demás idénticas, una que recibe agua residual municipal y otra que recibe un vertido industrial parcialmente biodegradable, mantendrán relaciones distintas con la misma edad, porque la fracción biodegradable de la carga es diferente. La relación sigue al agua, y la edad sigue al requisito del efluente.
Subir el control: un lodo joven
Acortar la edad del lodo, lo que eleva la relación, se logra purgando más. El primer síntoma rara vez es orgánico. Los organismos nitrificantes crecen más despacio que los organismos que eliminan la materia orgánica, por lo que son los primeros en ser arrastrados fuera del sistema, y el amoniaco del efluente sube mientras la DBO sigue siendo aceptable. Una planta que pierde la nitrificación después de un cambio en la purga está mostrando el cambio en el parámetro con el tiempo de generación más largo, y no en el más débil.
Más adelante en la misma dirección, los síntomas llegan en un orden reconocible. La oxidación se vuelve incompleta y la DBO del efluente acompaña la subida del amoniaco. El cultivo se desplaza hacia organismos que crecen rápido pero no floculan, así que el efluente se vuelve turbio por sólidos suspendidos que atraviesan el clarificador en lugar de sedimentar en él. Se produce más lodo por kilogramo de DBO eliminado, porque una mayor parte del alimento se convierte en células nuevas en lugar de oxidarse. La demanda de oxígeno por kilogramo eliminado también sube, y el sistema de aireación que era adecuado con la carga de diseño se queda corto. Una edad muy corta también deja a la planta sin margen de amortiguación frente a una carga de choque.
Bajar el control: un lodo viejo
Alargar la edad del lodo, lo que baja la relación, se logra purgando menos. La población se retiene más tiempo, el cultivo se vuelve más diverso y más estable, y la nitrificación es más fácil de mantener. La calidad del efluente mejora hasta cierto punto, y luego la cuenta hay que pagarla en otras dos líneas.
La primera es la sedimentación. Un lodo al que se le mantiene escaso de alimento produce un flóculo pequeño, denso y lento de sedimentar, y la turbidez ligera del flóculo puntiforme que pasa por encima del vertedero es el signo clásico de una planta llevada demasiado lejos en esta dirección. Ciertos organismos filamentosos también se ven favorecidos cuando el alimento escasea, así que una relación baja es una de las condiciones en las que se desarrolla un lodo con bulking. Es en el clarificador, y no en el tanque de aireación, donde normalmente se detecta una edad del lodo demasiado larga.
La segunda es la masa. Una edad del lodo larga retiene más sólidos en el sistema, y la materia inerte se acumula en ellos porque solo sale con el lodo de purga. La fracción volátil de los sólidos baja, la masa de lodo por espesar y deshidratar es mayor, y el clarificador tiene que soportar un manto más pesado. El consumo de oxígeno por kilogramo de DBO eliminado también sube, ya que una mayor parte del alimento se gasta en el mantenimiento de una población mayor, aunque se produzca menos lodo en exceso por kilogramo eliminado. Ambos efectos son el mismo balance de masa visto desde dos lugares.
Entre los dos extremos no hay un ajuste universal. La edad que una planta necesita se deriva del organismo más lento que debe retener con el agua más fría que verá, y la relación se deriva de la edad y de la carga. Lo que añade el registro de operación es la dirección de la deriva: una planta cuya relación lleva meses bajando con una carga estable está acumulando algo.
Errores comunes
- Cambiar la tasa de lodo de recirculación para cambiar la edad del lodo, cuando la tasa de purga en los lodos activados es el control que lo hace.
- Calcular la edad del lodo solo a partir del tanque de aireación y dejar fuera del inventario los sólidos del manto del clarificador.
- Interpretar una relación baja como operación estable sin verificar cómo sedimenta el lodo, ya que la misma condición que favorece la nitrificación puede favorecer los filamentos.
- Juzgar la relación a partir de la carga de diseño en lugar de la carga que realmente llegó.
- Corregir un fallo de nitrificación reduciendo la tasa de purga sin confirmar que el problema fue el arrastre y no un efecto de temperatura, un nivel bajo de oxígeno disuelto o una falta de alcalinidad.
- Mantener una edad del lodo copiada de otra planta con agua distinta y con un clarificador distinto.
- Vigilar la relación y la edad como dos indicadores independientes, cuando ninguno puede interpretarse sin el otro.
Autoverificación antes de fijar los controles
- ¿El tiempo de retención de sólidos en el tratamiento de aguas residuales se calcula sobre todo el sistema, tanque de aireación y manto del clarificador juntos?
- ¿Se registra la masa de sólidos purgada cada día, y no solo la concentración a la que salió?
- ¿El término del alimento se mide sobre la misma base, DBO o DQO, que el cálculo de diseño?
- ¿La temperatura de diseño es la más fría a la que operará la planta, dado que la edad que retiene a los nitrificantes sube a medida que el agua se enfría?
- ¿Se vigila el comportamiento de sedimentación del lodo junto con la relación, mediante el índice volumétrico de lodos o una prueba de sedimentación?
- ¿Se verifica el suministro de oxígeno contra la carga que realmente se oxida, tanto en su parte carbonosa como en su parte nitrogenada?
- ¿Se registran la relación y la edad en la misma hoja de trabajo que la carga a partir de la cual se calcularon?
- ¿Se ha estimado la producción de lodo en exceso con la edad elegida, de modo que se conozca la carga de purga y deshidratación?
De dos controles a una planta que los sostiene
Dos controles, un balance, y un tanque cuyo volumen, aireación y clarificador tienen que poder sostener lo que sea que se ajuste en los controles. La página de equipos MBR integrados describe una planta en la que los sólidos se separan por membrana en lugar de por clarificador, lo que cambia la restricción de sedimentación sin cambiar el balance, y el artículo sobre las zonas de una planta A²/O sigue los mismos sólidos a través de las etapas anóxica y anaerobia que eliminan nitrógeno y fósforo. Qué edad del lodo y qué concentración de licor mezclado puede sostener una unidad compacta con su agua se confirma con la fábrica para su afluente y su norma de vertido, en lugar de leerse de una tabla general.