Por qué el espesamiento de lodos antes de la deshidratación se paga solo
Una línea de lodos transporta dos cosas a la vez: los sólidos que la planta debe disponer y el agua en la que esos sólidos están suspendidos. Solo los sólidos son producto del tratamiento. Todo lo demás es lastre, y se paga varias veces —en el tamaño de la unidad de deshidratación, en la dosis de polímero, en el volumen que transporta el camión cisterna y en la tarifa de entrada del sitio que recibe la torta.
La aritmética es lo bastante sencilla para hacerla en el reverso de un sobre. Una tonelada de lodos con 1 % de sólidos secos contiene unos 10 kg de sólidos y unos 990 kg de agua. Si esos mismos 10 kg se concentran al 5 %, el material a mover es de unos 200 kg. No se ha destruido nada ni se ha tratado nada; la corriente simplemente se ha vuelto cinco veces más concentrada y aproximadamente una quinta parte de la masa. El espesamiento de lodos es la etapa que lo hace, y es el lugar más económico de la línea de lodos para hacerlo, porque el agua se va por sedimentación o por flotación y no bajo presión.
Las concentraciones anteriores son las que se citan habitualmente para lodos municipales y se dan para mostrar la magnitud del efecto; deben leerse como un método de partida y no como una especificación, porque lo que retiene una planta se mide en sus propios lodos. El equipo de deshidratación se compra y se opera con una función de sólidos —kilogramos de sólidos secos por hora— mientras que lo que se le alimenta es un volumen, y ese volumen fija el tamaño de la máquina, la demanda de polímero y la carga de filtrado.
Dónde se ubica el espesamiento de lodos de aguas residuales en la planta
El espesamiento es una etapa, no un proceso. Se ubica entre los clarificadores que producen los lodos y la unidad de deshidratación que los convierte en torta, y normalmente tiene un tanque de retención a un lado, de modo que la unidad de deshidratación puede operar con su propio horario y no al ritmo con que los clarificadores producen lodos.
Llegan dos lodos y no se comportan en absoluto igual. El lodo primario, extraído del fondo de un clarificador primario, es rico en minerales y granular, y sedimenta y compacta con facilidad. El lodo activado de purga, extraído como biomasa en exceso del clarificador secundario, es ligero, hidratado y gelatinoso: retiene agua dentro y entre los flóculos y compacta mal bajo su propio peso. El espesamiento de lodos de aguas residuales debe por lo tanto elegirse por corriente, porque un tanque que funciona con lodo primario a menudo produce un flujo inferior diluido y un sobrenadante sucio con lodo biológico. Las dos corrientes pueden espesarse por separado, la respuesta habitual en una planta grande, o combinarse donde dominan los sólidos primarios.
Una consecuencia es fácil de omitir en un diseño y costosa de descubrir después. Todo lo que la etapa extrae como agua regresa a la planta como sobrenadante o filtrado, y no es agua limpia: arrastra sólidos finos que escaparon a la captura, amoníaco liberado de los lodos y fósforo. Esa corriente lateral vuelve a entrar en la cabecera de la planta y forma parte de la carga que ve la etapa biológica. En una planta con una línea de lodos grande puede ser una fracción importante de la carga de nitrógeno, y un diseño que solo cuenta el afluente crudo quedará corto de capacidad.
Espesamiento de lodos por gravedad
Un espesador de lodos por gravedad es un tanque con un mecanismo raspador de movimiento lento. Los lodos se alimentan cerca del centro, los sólidos sedimentan, un conjunto de brazos verticales de rastrillo agita el manto y deja escapar hacia arriba el agua atrapada, los lodos espesados se extraen del cono inferior y el agua liberada rebosa por un vertedero en el borde. No interviene ningún químico y casi no hay consumo de energía: el mecanismo gira a una velocidad medida en metros por hora en el borde.
Sus virtudes son el costo de operación y la simplicidad, y su límite es el lodo que se le pide manejar. Con lodo primario produce un flujo inferior bien compactado a partir de un caudal grande, por lo que sigue siendo la primera opción donde existe lodo primario. Con lodo activado de purga, los flóculos no sedimentan formando un manto compacto, de modo que la unidad necesita un área mucho mayor para la misma carga de sólidos, el flujo inferior es más débil y el sobrenadante arrastra más sólidos de vuelta a la cabecera de la planta. El abultamiento filamentoso lo empeora: los filamentos que impiden que el lodo sedimente en el clarificador impiden que se espese aquí.
El dimensionamiento se apoya en dos cifras y no en una tabla: la carga de sólidos por unidad de superficie y la tasa de rebose hidráulica. Ambas provienen de ensayos de sedimentación con el lodo real —un ensayo de sedimentación por lotes leído contra una versión agitada que tiene en cuenta la acción del mecanismo—. Un espesador por gravedad es además un tanque grande y abierto de sólidos concentrados, por lo que el olor y la septicidad son cuestiones de diseño, y puede necesitarse una cubierta en una zona poblada.
Espesamiento de lodos por flotación por aire disuelto
El espesamiento de lodos por flotación por aire disuelto trabaja con el principio opuesto a la sedimentación. Una fracción del efluente clarificado se recircula, se presuriza y se satura de aire, y luego se libera en la zona de contacto del tanque. La caída de presión hace que el aire disuelto salga como una nube de microburbujas, que se adhieren a los flóculos y los elevan a la superficie, donde el manto flotado se retiene y se desnata. Los sólidos suben en lugar de bajar, de modo que la unidad no depende en absoluto de que los lodos sedimenten.
Por eso la flotación es la respuesta habitual para el lodo activado de purga y para el lodo mixto donde dominan los sólidos biológicos. Produce un flotado más espeso que el que logra un espesador por gravedad con el mismo material, captura los sólidos de forma más completa en ese flotado y no en el licor de retorno, y puede construirse en un tanque poco profundo, de modo que la huella es menor que el área de sedimentación que necesitaría la misma función.
El precio es equipo y químico. Un espesador por flotación incorpora un recipiente saturador, una bomba de recirculación, un compresor de aire y un mecanismo de desnatado, y necesita acondicionamiento con polímero —normalmente un grado catiónico— para unir los flóculos en algo que las burbujas puedan elevar. La dosis se fija mediante flotación de laboratorio o prueba de jarras con los lodos disponibles y no con una tabla. La relación aire-sólidos, la relación de recirculación y la tasa de carga superficial son las variables de diseño, y sus valores para un lodo dado provienen de ese ensayo.
Espesador de lodos de tambor rotativo y espesamiento por banda de gravedad
Un espesador de lodos de tambor rotativo hace mecánicamente lo que un tanque espesador hace por área. Los lodos se acondicionan con polímero y se alimentan a un tambor de rotación lenta revestido con una malla fina. El agua drena a través de la malla mientras un tornillo sinfín en el interior conduce los lodos espesados hacia la salida, y la malla se lava a presión en cada revolución para que no se ciegue. Un espesador por banda de gravedad realiza la misma función sobre una banda en movimiento en lugar de un tambor.
Ambos son compactos, cerrados y de bajo consumo de energía, alcanzan su condición de trabajo en minutos y no en horas, y toleran arranques y paradas sin perder su contenido, por lo que se adaptan a una planta compacta o a una función que opera por turnos. Ambos consumen polímero, así que el paso de acondicionamiento importa tanto como la máquina.
Existe también una ruta que elimina la etapa separada. Cuando la línea de lodos termina en una prensa de tornillo que espesa y deshidrata en una sola máquina continua, la zona de espesamiento de esa máquina hace el trabajo que haría un espesador separado, y una planta por debajo de cierto tamaño suele ser más simple sin una etapa independiente.
Qué ruta de espesamiento encaja con la planta
- Lodo primario, terreno disponible, costo de operación como prioridad — un espesador de lodos por gravedad, sin químico y sin más energía que la del accionamiento del raspador.
- Lodo activado de purga, o lodo mixto dominado por sólidos biológicos — espesamiento de lodos por flotación por aire disuelto, porque la flotación no le pide al lodo que sedimente.
- Huella limitada, o una planta dentro de un edificio — espesamiento por tambor rotativo o por banda de gravedad, ambos compactos y cerrados.
- Lodos retenidos entre turnos, o una unidad de deshidratación que opera con horario — un tanque de retención dimensionado con la producción diaria de sólidos y no con el caudal instantáneo de lodos.
- Una planta pequeña que ya compra una prensa de tornillo que espesa y deshidrata — sin etapa separada, siempre que la máquina se alimente con la consistencia con la que se dimensionó.
- Un sitio donde el olor es una restricción real — espesamiento mecánico cerrado en lugar de un tanque de gravedad abierto.
Errores comunes
- Tratar el espesamiento como un extra opcional. Cada tonelada de agua retirada antes de la unidad de deshidratación es una tonelada que no hay que prensar, dosificar, bombear ni transportar.
- Suponer que el espesamiento por gravedad funcionará con lodo activado de purga. Es el supuesto erróneo más común en la línea de lodos, y se manifiesta como un flujo inferior débil y una carga de sólidos que regresa a la cabecera de la planta.
- Diseñar la etapa de espesamiento y la unidad de deshidratación por separado. La torta que produce la prensa, y el polímero que necesita, dependen de la consistencia de lo que se le alimenta.
- Fijar la dosis de polímero con una tabla. La dosis sigue al lodo, y el lodo cambia con la temporada, la carga y el estado de la biomasa.
- Cizallar el flóculo entre dos etapas. Un flóculo ya formado se rompe con facilidad con una bomba que gira demasiado rápido, y el flóculo roto vuelve a suspender sólidos en el agua que la etapa debía retirar.
Autoverificación antes de especificar la etapa de espesamiento
- ¿Se ha identificado y ensayado el lodo como primario, biológico o mixto, en lugar de suponerlo a partir del tipo de planta?
- ¿Se conoce la producción diaria de sólidos, de modo que la función pueda expresarse en kilogramos de sólidos secos por día?
- ¿Se declaran tanto la concentración de sólidos de la alimentación como la concentración objetivo después del espesamiento?
- ¿Se ha contado el licor de retorno de la etapa en la carga que debe tratar el proceso biológico?
- ¿Los lodos espesados llegan a la unidad de deshidratación sin ser cizallados ni diluidos en el camino?
De una función de espesamiento a una máquina
La elección anterior acota la ruta; la máquina todavía debe dimensionarse con un lodo que se haya medido. Las páginas de equipos de deshidratación de lodos describen lo que hace cada máquina de deshidratación con la alimentación espesada, y la guía para seleccionar equipos de deshidratación de lodos toma el tipo de lodo, el volumen y la torta objetivo y recorre las opciones en orden. Cuando la función debe cumplirse por flotación, las páginas de flotación por aire disuelto cubren el mecanismo y las disposiciones de tanque en que se construye. El modelo, la superficie y el consumo de polímero que convienen a su lodo se confirman con la fábrica para su tipo de lodo y su concentración objetivo, en lugar de leerse de una tabla.