Dos relaciones, una palabra, dos funciones
En una planta de lodos activados, la palabra recirculación abarca más de una tubería. Las dos que llevan la mayor parte del caudal son la recirculación externa —lodo sedimentado extraído del fondo del clarificador final y devuelto a la cabecera del tren biológico— y la recirculación interna, también llamada recirculación de licor mezclado o recirculación de nitrato, que eleva licor nitrificado desde la zona aerobia de vuelta a la zona anóxica. Ambas se expresan como una relación respecto al caudal entrante, y a ambas se les llama relación de recirculación en la conversación, que es donde empieza la mayor parte de la confusión. La relación de recirculación de lodos es el término único que cubre a las dos en conjunto, así que la primera pregunta en cualquier planta es a cuál de las dos se refiere un número.
Las dos cumplen funciones opuestas. La recirculación externa devuelve el cultivo: mantiene la población de organismos en el sistema en lugar de dejarla salir con el efluente. La recirculación interna devuelve una forma oxidada del nitrógeno para que pueda convertirse en gas y salir del agua. Una bomba que hace lo segundo no puede hacer lo primero, y ajustar una cuando se quería la otra mueve la planta en la dirección equivocada.
La relación de recirculación externa: cómo se fija el retorno de lodo sedimentado
La relación de recirculación externa es la mitad de la relación de recirculación de lodos que queda fijada por dos concentraciones: la concentración de sólidos a la que debe operar el tanque de aireación y la concentración del lodo que se devuelve. Donde el lodo de retorno es más espeso, se necesita menos cantidad para mantener la misma concentración en el tanque, de modo que la relación es una consecuencia de ese par de números y no un número elegido primero. En la práctica, la relación de lodo de retorno en lodos activados nunca es una elección libre de diseño por esa razón, y como la concentración del tanque que el proceso necesita la fijan juntas la carga y la sedimentabilidad, la relación se mueve siempre que cualquiera de las dos se mueva.
La concentración del lodo de retorno depende de qué tan bien sedimenta el lodo. Un lodo que sedimenta hasta un flujo inferior espeso puede devolverse con una relación más baja; un lodo que sedimenta mal regresa al tanque diluido, y la relación tiene que subir para mover la misma masa de sólidos —lo que al mismo tiempo hace circular más agua por el circuito. Por eso un cambio en el comportamiento de sedimentación del lodo se manifiesta como un cambio en la carga hidráulica sobre el clarificador, incluso cuando nadie ha tocado una válvula.
Para una planta convencional se citan habitualmente relaciones del orden de 0.5 a 1.0 veces el caudal influente, y las cifras de ese tipo son las que se dan en general en la literatura y en la experiencia operativa. Deben leerse como un método de partida y no como una especificación, porque las dos concentraciones detrás de la relación pertenecen al lodo y al agua de una planta concreta.
Si la relación externa se opera demasiado baja, el manto de sólidos del clarificador sube, porque el lodo no se retira del fondo tan rápido como llega; el manto acaba alcanzando la salida y los sólidos se van con el efluente. Si se opera demasiado alta, el clarificador queda hidráulicamente sobrecargado con su propio lodo devuelto —cada litro devuelto vuelve a pasar por el clarificador—, de modo que el manto puede ser empujado hacia afuera por el caudal y no por los sólidos. Ambos extremos del rango producen sólidos en el efluente, y por eso el síntoma por sí solo no dice en qué extremo está usted.
La relación de recirculación interna: cómo se fija el retorno de nitrato
La segunda mitad de la relación de recirculación de lodos es la línea interna, y es la que con más frecuencia se escribe como relación de recirculación de licor mezclado para la desnitrificación. Transporta licor mezclado y no lodo sedimentado, y lo lleva de la zona aireada a la zona anóxica, donde el nitrógeno se elimina realmente. El nitrógeno sale de una planta solo cuando un ion nitrato se reduce a nitrógeno gaseoso y escapa, y eso solo puede ocurrir donde el nitrato encuentra condiciones anóxicas. El nitrato se forma en la zona aireada, así que la fracción que llega a la zona anóxica está limitada por la relación entre el caudal de recirculación y el caudal influente.
Eso hace que la relación de recirculación interna en el tratamiento de aguas residuales sea función del objetivo de nitrógeno y no del lodo. Una planta que tiene que alcanzar una cifra baja de nitrógeno total necesita que se devuelva una porción grande del nitrato; una planta que trabaja con una cifra de nitrógeno holgada, o con ninguna, no necesita que la línea trabaje exigida en absoluto. La cifra con la que trabajar es la masa de nitrógeno a eliminar por día, y la fracción del nitrato que hay que devolver para eliminarlo.
Para la recirculación interna de una planta que nitrifica y desnitrifica se citan habitualmente relaciones del orden de una a cuatro veces el caudal influente. Se aplica la misma advertencia: esas son las cifras que se dan en general, y deben leerse como un método de partida y no como una especificación, porque la carga de nitrógeno, la temperatura del agua y el carbono disponible en el influente mueven la respuesta.
Hay un techo en esta relación que es fácil pasar por alto. La recirculación interna transporta agua además de nitrato, y esa agua tiene que pasar por la zona anóxica y luego por la zona aireada, de modo que el caudal de recirculación suma a la carga hidráulica de ambas y al volumen que necesitan. Subir la bomba más allá del punto en que la zona anóxica recibe todo el nitrato que puede reducir añade circulación sin añadir eliminación.
El oxígeno disuelto es el segundo techo. El licor mezclado que sale de una zona aireada arrastra oxígeno consigo, y el oxígeno que llega a la zona anóxica se usa con preferencia al nitrato, lo que detiene la reducción que esa zona existe para realizar. Cuanto mayor es la recirculación interna, más de ese oxígeno se devuelve con ella, así que la relación y el oxígeno disuelto en la zona anóxica tienen que leerse juntos.
Calcular cada relación antes de elegir la bomba
El cálculo de una relación de recirculación de lodos son dos cálculos, no uno, y el segundo no usa la respuesta del primero. Ambos parten de mediciones que la planta puede tomar y no de una tabla.
- Anote la concentración de sólidos del tanque que necesita el proceso y la concentración a la que realmente sedimenta el lodo. La relación externa se deriva de esas dos y de nada más.
- Tome el ensayo de sedimentación como un dato de entrada y no como una verificación posterior. Un cambio en cómo sedimenta el lodo cambia la relación externa incluso cuando la concentración del tanque no cambia.
- Exprese el objetivo de nitrógeno como una masa por día y calcule la fracción del nitrato que tiene que llegar a la zona anóxica para cumplirlo. La relación interna se deriva de esa fracción.
- Verifique qué puede usar realmente la zona anóxica. Una relación interna mayor de lo que la zona puede consumir hace circular agua y oxígeno sin eliminación.
- Sume ambos caudales de recirculación a la carga hidráulica de los tanques y del clarificador antes de fijar sus volúmenes, porque cada litro recirculado vuelve a pasar por ellos.
- Escriba ambas relaciones en el balance de masa en la etapa de diseño, para que el ajuste en sitio sea un valor al que llegar y no un número que adivinar.
Cómo se ve una relación sobreexigida en la planta
Las dos relaciones fallan de manera distinta, y separar los síntomas es lo que hace que el ajuste de la bomba sea útil como control y no como una conjetura.
- Recirculación externa demasiado baja: un manto de lodo que sube, sólidos que salen en el efluente y una concentración del tanque que baja. Los sólidos suspendidos en el efluente suben antes que el resultado orgánico.
- Recirculación externa demasiado alta: un lodo de retorno diluido, un clarificador que lleva más agua de la que se dimensionó y un manto empujado hacia afuera por el caudal y no por los sólidos. La energía de la bomba sube sin ganancia en la concentración del tanque.
- Recirculación interna demasiado baja: nitrato que queda en el efluente y un resultado de nitrógeno total que no baja por bien que funcione el resto del proceso, con la zona anóxica escasa de nitrato y no de carbono.
- Recirculación interna demasiado alta: oxígeno disuelto en la zona anóxica y una pérdida de eliminación de nitrógeno mientras se aumenta el caudal de recirculación, junto con una mayor carga hidráulica en ambas zonas y más energía de aireación para compensar el oxígeno que se devolvió.
- Ambas mal a la vez: sólidos y nitrógeno en el efluente al mismo tiempo, lo que se lee como una falla del proceso y con más frecuencia es un ajuste de bomba que se topa con un cambio en el lodo.
Qué registrar para poder reajustar una relación
- La concentración de sólidos del tanque y la concentración del lodo de retorno, medidas el mismo día y a la misma hora.
- El resultado del ensayo de sedimentación y la fecha en que se tomó, porque la relación que conviene a un comportamiento de sedimentación no conviene a otro.
- El oxígeno disuelto en la zona anóxica, que es la lectura que dice si la recirculación interna está devolviendo oxígeno.
- El nitrato o el nitrógeno total del efluente, para que la relación interna se fije a partir del resultado que se supone que debe cambiar.
- Las horas de funcionamiento o el caudal de cada bomba de recirculación, porque una relación es un caudal, y un ajuste que ignora lo que la bomba mueve realmente es un diseño sobre el papel.
De dos relaciones a un servicio de bomba
Las dos relaciones son el vínculo entre la biología que una planta está diseñada para mantener y las bombas que se compran para ella. El gráfico de volumen de tanque y TRH muestra cómo los tiempos de residencia que se dan a las zonas se convierten en volúmenes, y la nota sobre las zonas de una planta A²/O cubre qué elimina cada zona y por qué existe la zona anóxica. En una planta de membranas, la misma recirculación externa mantiene el cultivo delante de la membrana, lo que se describe en la página de equipos MBR integrados. Los caudales de recirculación que convienen a la geometría de su tanque, a su lodo y a su objetivo de nitrógeno se confirman con la fábrica para su tanque y su lodo, en lugar de tomarse de una tabla.