Un tanque oxida; una serie de tanques elimina
Un tanque de lodos activados con aire elimina materia orgánica, porque la biología que crece allí la consume. Por sí solo no elimina nitrógeno ni fósforo de manera controlada. El nitrógeno sale del sistema solo cuando un ion nitrato se transforma en gas nitrógeno y escapa a la atmósfera, y el fósforo sale solo cuando queda fijado en unos lodos que después se retiran de la planta. Ambas cosas necesitan una zona sin oxígeno, y por eso una planta de eliminación de nutrientes se construye como una secuencia de tanques y no como uno solo.
La configuración A²/O —anaerobia, anóxica, aerobia— es la disposición común para aguas residuales municipales donde aplican límites tanto de nitrógeno como de fósforo. Cada zona alberga un conjunto distinto de condiciones, y cada conjunto favorece una reacción distinta, que es la razón por la que su volumen es el que es.
La zona anaerobia libera fósforo
La zona anaerobia es el primer tanque de la serie y el que más a menudo se interpreta mal. No contiene oxígeno ni nitrato, y la biología que prospera allí capta ácidos grasos volátiles y los almacena. Para hacerlo, estos organismos liberan fosfato desde sus células hacia el agua, así que esta zona eleva la concentración de fosfato en lugar de reducirla.
Esa liberación no es una falla, sino la primera mitad de un mecanismo de dos pasos. Los mismos organismos captan en la zona aerobia mucho más fosfato del que liberaron aquí, y el exceso pasa a los lodos. El fósforo no se destruye en ningún momento; se concentra en la purga de lodos, y así es como la planta lo elimina. La práctica nacional asigna al tanque anaerobio un tiempo de retención hidráulica de 1–2 h (GB 50014-2021); un tiempo mucho mayor corre el riesgo de que se imponga la biología equivocada.
La zona anóxica convierte el nitrato en gas nitrógeno
El segundo tanque recibe el licor mezclado sin oxígeno libre presente, y es aquí donde el nitrógeno se elimina realmente. Las bacterias desnitrificantes usan el nitrato como fuente de oxígeno, y el nitrato se reduce a gas nitrógeno, que sale del agua y se incorpora a la atmósfera. La reacción necesita una fuente de carbono orgánico, y el afluente la aporta.
Dos condiciones deben cumplirse a la vez. No debe haber oxígeno disuelto, porque las bacterias lo usarían con preferencia sobre el nitrato y la reducción se detendría. Y debe estar llegando nitrato, y por eso el nitrato producido en la zona aerobia se devuelve a la zona anóxica a través del circuito de recirculación. La práctica nacional asigna al tanque anóxico un tiempo de retención hidráulica de 0.5–3.0 h (HJ 576-2010), una banda más amplia que la del tanque anaerobio porque el tiempo necesario depende de cuánto nitrato se devuelve y de cuánto carbono hay disponible.
La zona aerobia completa la tarea
El tercer tanque se airea, y en él ocurren dos cosas. Las bacterias nitrificantes oxidan el amoníaco a nitrato, el paso que hace que el nitrógeno sea removible en absoluto: sin nitrificación, el nitrógeno permanece como amoníaco y ninguna zona anóxica puede eliminarlo. Y los organismos acumuladores de fósforo captan el fosfato del agua hacia sus células, el paso de captación para el que los preparó la liberación anaerobia.
La zona aerobia también oxida la materia orgánica restante, así que consume la mayor parte de la energía de aireación de la planta. El licor mezclado sale de este tanque hacia un clarificador secundario, donde los lodos sedimentan y se separan. El lodo de retorno mantiene la biología en el sistema, y la purga de lodos es lo que arrastra el fósforo fuera de él.
A/O, A²/O y aireación prolongada
La serie A/O prescinde del tanque anaerobio y conserva las etapas anóxica y aerobia. Elimina nitrógeno y materia orgánica, y el menor número de tanques la hace más simple, pero sin el paso de liberación anaerobia la eliminación de fósforo es limitada. Una serie A/O o A²/O con clarificador secundario y desinfección normalmente alcanza los grados menos exigentes de la GB 18918-2002 —Grado 1B y Grado 2—, y donde solo se controlan los orgánicos la biología puede recurrir a la oxidación biológica por contacto.
El Grado 1A, el grado más estricto publicado en la tabla de normas, es un problema distinto. Su límite de fósforo total es de 0.5 mg/L frente a 1 mg/L en el Grado 1B, y el tratamiento biológico ordinario no lo alcanza de forma confiable; el grado suele cumplirse con un filtro o una membrana después de la etapa biológica, o con dosificación química. Su límite de nitrógeno total de 15 mg/L, frente a 20 mg/L en el Grado 1B, obliga a dimensionar la zona anóxica con margen en lugar de tratarla como algo secundario.
La aireación prolongada es la tercera disposición, y es una convención de Oriente Medio más que una norma nacional. La guía saudí MEWA la describe como un tiempo de aireación de 18–36 h, unos sólidos suspendidos del licor mezclado de 3000–6000 mg/L y una edad de lodos de 10–30 días. No necesita membrana, pero ocupa más volumen de tanque que cualquiera de las series basadas en zonas descritas antes.
Qué deciden las zonas sobre el volumen del tanque
Las definiciones de las zonas se traducen en volumen de tanque, porque el volumen es el caudal multiplicado por el tiempo de residencia: V = Q × TRH. El tanque anaerobio de 1–2 h y el tanque anóxico de 0.5–3.0 h son pequeños junto al tanque aerobio, que asume el tiempo de aireación y, por tanto, la mayor parte del volumen. Cuando la eliminación de fósforo es el objetivo principal, el tiempo de retención de sólidos se fija en 3.5–7.0 días (GB 50014-2021), y esa cifra determina cuántos lodos retiene la planta y no el tamaño de un tanque en particular. La división entre los volúmenes anóxico y aerobio no la fija la norma; se equilibra frente a las metas de nitrógeno y fósforo.
Una cuestión de zonas, no de separación
Las zonas aquí descritas rigen lo que se elimina del agua. Una decisión aparte es cómo se retiene la biología y cómo se separa del agua tratada, que es el tema de la comparación entre MBR, MBBR y SBR. Una planta puede operar zonas A²/O con una membrana en lugar de un clarificador, o retener la biología como biopelícula. La secuencia de zonas y el método de separación son dos elecciones distintas, y la guía de selección las aborda en ese orden.