Lodo activado - Activated sludge
El proceso de lodos activados es un tipo de proceso de tratamiento de aguas residuales para el tratamiento de aguas residuales o aguas residuales industriales mediante aireación y un flóculo biológico compuesto por bacterias y protozoos .
La disposición general de un proceso de lodos activados para eliminar la contaminación carbonosa incluye los siguientes elementos: Un tanque de aireación donde se inyecta aire (u oxígeno) en el licor mezclado. A esto le sigue un tanque de sedimentación (generalmente denominado "clarificador final" o "tanque de sedimentación secundario") para permitir que los flóculos biológicos (la capa de lodo) se asienten, separando así el lodo biológico del agua tratada clara.
Objetivo
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En una planta de tratamiento de aguas residuales (o aguas residuales industriales), el proceso de lodos activados es un proceso biológico que puede utilizarse para uno o varios de los siguientes fines: oxidar materia biológica carbonosa , oxidar materia nitrogenada: principalmente amonio y nitrógeno en materia biológica, eliminar nutrientes (nitrógeno y fósforo).
Descripción del proceso
El proceso aprovecha los microorganismos aeróbicos que pueden digerir la materia orgánica de las aguas residuales y aglutinarse (por floculación ) al hacerlo. Por lo tanto, produce un líquido que está relativamente libre de sólidos en suspensión y material orgánico, y partículas floculadas que se sedimentan fácilmente y pueden eliminarse.
La disposición general de un proceso de lodos activados para eliminar la contaminación carbonosa incluye los siguientes elementos:
- Tanque de aireación donde se inyecta aire (u oxígeno) en el licor mezclado.
- Tanque de sedimentación (generalmente denominado "clarificador final" o "tanque de sedimentación secundario") para permitir que los flóculos biológicos (la capa de lodo) se asienten, separando así el lodo biológico del agua clara tratada.
El tratamiento de materia nitrogenada o fosfato implica pasos adicionales donde los procesos se manejan para generar una zona anóxica de modo que los fosfatos se puedan solubilizar en el ambiente reductor y los óxidos de nitrógeno se puedan reducir a ión amonio .
Biorreactor y clarificador final
El proceso implica la introducción de aire u oxígeno en una mezcla de aguas residuales filtradas y tratadas primarias o aguas residuales industriales ( aguas residuales ) combinadas con organismos para desarrollar un flóculo biológico que reduce el contenido orgánico de las aguas residuales . Este material, que en el lodo sano es un flóculo marrón, está compuesto en gran parte por bacterias saprotróficas, pero también tiene un importante componente de flora protozoaria compuesto principalmente por amebas , Spirotrichs , Peritrichs , incluidos los vorticélidos y una variedad de otras especies que se alimentan por filtración. Otros componentes importantes incluyen rotíferos móviles y sedentarios . En lodos activados mal manejados, se puede desarrollar una variedad de bacterias filamentosas mucilaginosas , incluidas Sphaerotilus natans , Gordonia y otros microorganismos, que producen un lodo que es difícil de sedimentar y puede hacer que la capa de lodo se decante sobre los vertederos en el tanque de sedimentación para contaminar gravemente la calidad del efluente final. Este material se describe a menudo como hongo de aguas residuales, pero las verdaderas comunidades de hongos son relativamente poco comunes.
La combinación de aguas residuales y masa biológica se conoce comúnmente como licor mixto . En todas las plantas de lodos activados, una vez que las aguas residuales han recibido un tratamiento suficiente, el exceso de licor mezclado se descarga en tanques de sedimentación y el sobrenadante tratado se escurre para someterse a un tratamiento adicional antes de la descarga. Parte del material sedimentado, el lodo , se devuelve al cabezal del sistema de aireación para volver a sembrar las nuevas aguas residuales que ingresan al tanque. Esta fracción del flóculo se denomina lodo activado de retorno (RAS).
El espacio requerido para una planta de tratamiento de aguas residuales se puede reducir utilizando un biorreactor de membrana para eliminar algunas aguas residuales del licor mezclado antes del tratamiento. Esto da como resultado un producto de desecho más concentrado que luego puede tratarse mediante el proceso de lodos activados.
Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales utilizan bombas de flujo axial para transferir licor mixto nitrificado desde la zona de aireación a la zona anóxica para su desnitrificación. Estas bombas a menudo se denominan bombas internas de reciclaje de licor mixto (bombas IMLR). Las aguas residuales sin tratar, el RAS y el licor mixto nitrificado se mezclan mediante mezcladores sumergibles en las zonas anóxicas para lograr la desnitrificación.
Producción de lodos
Lodos activados es también el nombre que se le da al material biológico activo producido por las plantas de lodos activados. El exceso de lodo se denomina "lodo activado excedente" o "lodo residual activado" y se elimina del proceso de tratamiento para mantener equilibrada la proporción de biomasa a los alimentos suministrados en las aguas residuales. Este lodo de depuradora generalmente se mezcla con lodo primario de los clarificadores primarios y se somete a un tratamiento de lodo adicional , por ejemplo, mediante digestión anaeróbica , seguido de espesamiento, deshidratación, compostaje y aplicación al suelo.
La cantidad de lodos de depuradora producidos a partir del proceso de lodos activados es directamente proporcional a la cantidad de aguas residuales tratadas. La producción total de lodos consiste en la suma del lodo primario de los tanques de sedimentación primaria, así como del lodo residual activado de los biorreactores. El proceso de lodos activados produce alrededor de 70 a 100 kg / ML de lodos activados residuales (es decir, kg de sólidos secos producidos por ML de aguas residuales tratadas; un mega litro (ML) equivale a 10 3 m 3 ). Se considera típico un valor de 80 kg / ML. Además, se producen alrededor de 110-170 kg / ML de lodo primario en los tanques de sedimentación primaria que utilizan la mayoría, pero no todas, las configuraciones del proceso de lodos activados.
Control de procesos
El método de control general del proceso es monitorear el nivel de la capa de lodo, SVI (Índice de volumen de lodo), MCRT (Tiempo medio de residencia celular), F / M (Alimentos a microorganismos), así como la biota del lodo activado y los principales nutrientes DO ( Oxígeno disuelto ), nitrógeno , fosfato , DBO ( demanda bioquímica de oxígeno ) y DQO ( demanda química de oxígeno ). En el sistema de reactor / aireador y clarificador, la capa de lodo se mide desde el fondo del clarificador hasta el nivel de sólidos sedimentados en la columna de agua del clarificador; esto, en plantas grandes, se puede hacer hasta tres veces al día.
El SVI es el volumen de lodo sedimentado en mililitros ocupado por 1g de sólidos de lodo seco después de 30 minutos de sedimentación en una probeta graduada de 1000 mililitros. El MCRT es la masa total (lbs) de sólidos suspendidos de licor mixto en el aireador y clarificador dividida por el caudal másico (lbs / día) de sólidos suspendidos de licor mixto que salen como WAS y efluente final. La F / M es la relación entre el alimento alimentado a los microorganismos cada día y la masa de microorganismos mantenidos bajo aireación. Específicamente, es la cantidad de DBO que se alimenta al aireador (libras / día) dividida por la cantidad (libras) de sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado (MLVSS) bajo aireación. Nota: Algunas referencias usan MLSS (Sólidos Suspendidos de Licor Mezclado) por conveniencia, pero MLVSS se considera más preciso para la medición de microorganismos. Nuevamente, debido a la conveniencia, generalmente se usa COD, en lugar de BOD, ya que BOD tarda cinco días en obtener resultados.
Con base en estos métodos de control, la cantidad de sólidos sedimentados en el licor mixto se puede variar desperdiciando lodo activado (WAS) o devolviendo lodo activado (RAS).
Existe una variedad de tipos de plantas de lodos activados. Éstos incluyen:
Plantas de empaque
Existe una amplia gama de tipos de plantas empaquetadoras, que a menudo sirven a pequeñas comunidades o plantas industriales que pueden utilizar procesos de tratamiento híbridos que a menudo implican el uso de lodos aeróbicos para tratar las aguas residuales entrantes. En tales plantas, se puede omitir la etapa primaria de tratamiento de sedimentación. En estas plantas, se crea un flóculo biótico que proporciona el sustrato requerido. Las plantas de empaque están diseñadas y fabricadas por firmas de ingeniería especializadas en dimensiones que permiten su transporte al lugar de trabajo en carreteras públicas, generalmente de ancho y alto de 12 por 12 pies. La longitud varía con la capacidad, ya que las plantas más grandes se fabrican en piezas y se sueldan en el sitio. Se prefiere el acero a los materiales sintéticos (por ejemplo, plástico) por su durabilidad. Las plantas de empaque son comúnmente variantes de aireación extendida , para promover el enfoque de "ajuste y olvido" requerido para comunidades pequeñas sin personal operativo dedicado. Existen varios estándares para ayudar con su diseño.
Para utilizar menos espacio, tratar residuos difíciles y flujos intermitentes, se han producido varios diseños de plantas de tratamiento híbridas. Estas plantas a menudo combinan al menos dos etapas de las tres etapas principales de tratamiento en una etapa combinada. En el Reino Unido, donde una gran cantidad de plantas de tratamiento de aguas residuales atienden a poblaciones pequeñas, las plantas de paquete son una alternativa viable a la construcción de una gran estructura para cada etapa del proceso. En los EE. UU., Las plantas de empaque se utilizan generalmente en áreas rurales, paradas de descanso en carreteras y parques de remolques.
Las plantas de paquete pueden denominarse con carga alta o carga baja . Esto se refiere a la forma en que se procesa la carga biológica. En los sistemas de alta carga, la etapa biológica se presenta con una alta carga orgánica y el flóculo combinado y el material orgánico se oxigenan durante unas horas antes de volver a cargarse con una nueva carga. En el sistema de baja carga, la etapa biológica contiene una carga orgánica baja y se combina con floculado durante períodos más prolongados.
Zanja de oxidación
En algunas áreas, donde hay más tierra disponible, las aguas residuales se tratan en grandes zanjas redondas u ovaladas con uno o más aireadores horizontales, típicamente llamados aireadores de cepillo o disco, que impulsan el licor mezclado alrededor de la zanja y proporcionan aireación. Estas son zanjas de oxidación, a las que a menudo se hace referencia con los nombres comerciales del fabricante, como Pasveer, Orbal o Carrousel. Tienen la ventaja de que son relativamente fáciles de mantener y resistentes a las cargas de choque que a menudo ocurren en comunidades más pequeñas (es decir, a la hora del desayuno y por la noche).
Las zanjas de oxidación se instalan comúnmente como tecnología de "ajuste y olvido", con parámetros de diseño típicos de un tiempo de retención hidráulica de 24 a 48 horas y una edad del lodo de 12 a 20 días. Esto se compara con las plantas de lodos activados nitrificantes que tienen un tiempo de retención de 8 horas y una edad del lodo de 8 a 12 días.
Eje profundo / tratamiento vertical
Cuando hay escasez de tierra, las aguas residuales pueden tratarse mediante la inyección de oxígeno en una corriente de lodo de retorno a presión que se inyecta en la base de un tanque columnar profundo enterrado en el suelo. Dichos pozos pueden tener hasta 100 metros de profundidad y están llenos de aguas residuales. A medida que las aguas residuales se elevan, el oxígeno forzado a disolverse por la presión en la base del eje se rompe como oxígeno molecular, lo que proporciona una fuente de oxígeno altamente eficiente para la biota del lodo activado. El oxígeno ascendente y el lodo de retorno inyectado proporcionan el mecanismo físico para mezclar las aguas residuales y los lodos. El lodo y las aguas residuales mezclados se decantan en la superficie y se separan en componentes de lodo y sobrenadante. La eficiencia del tratamiento del eje profundo puede ser alta.
Los aireadores de superficie se cotizan comúnmente por tener una eficiencia de aireación de 0.5 - 1.5 kg O 2 / kWh, aireación difusa como 1.5 - 2.5 kg O 2 / KWh. Deep Shaft reclama 5 - 8 kg O 2 / kWh.
Sin embargo, los costos de construcción son altos. Deep Shaft ha tenido la mayor aceptación en Japón, debido a los problemas de superficie terrestre. Deep Shaft fue desarrollado por ICI , como un derivado de su proceso Pruteen . En el Reino Unido se encuentra en tres sitios: Tilbury, Anglian water, que trata un agua residual con una alta contribución industrial; Southport, United Utilities, debido a problemas de espacio terrestre; y Billingham, ICI, nuevamente tratando efluentes industriales y construido (después de los pozos de Tilbury) por ICI para ayudar al agente a vender más.
DeepShaft es un proceso patentado y con licencia. El licenciatario ha cambiado varias veces y actualmente (2015) Noram Engineering lo vende.
Lavabos de superficie aireada
La mayoría de los procesos de oxidación biológica para el tratamiento de aguas residuales industriales tienen en común el uso de oxígeno (o aire) y la acción microbiana. Los lavabos con aireación superficial logran una eliminación del 80 al 90% de DBO con tiempos de retención de 1 a 10 días. Las cuencas pueden tener una profundidad de 1,5 a 5,0 metros y utilizan aireadores motorizados que flotan en la superficie de las aguas residuales.
En un sistema de tanque aireado, los aireadores tienen dos funciones: transfieren aire a los tanques requeridos por las reacciones de oxidación biológica y proporcionan la mezcla necesaria para dispersar el aire y para contactar con los reactivos (es decir, oxígeno, aguas residuales y microbios). . Normalmente, los aireadores de superficie flotante están clasificados para suministrar una cantidad de aire equivalente a 1,8 a 2,7 kg O 2 / kWh . Sin embargo, no proporcionan una mezcla tan buena como se logra normalmente en los sistemas de lodos activados y, por lo tanto, los depósitos aireados no alcanzan el mismo nivel de rendimiento que las unidades de lodos activados.
Los procesos de oxidación biológica son sensibles a la temperatura y, entre 0 ° C y 40 ° C, la velocidad de las reacciones biológicas aumenta con la temperatura. La mayoría de los recipientes aireados de superficie operan entre 4 ° C y 32 ° C.
Reactores de secuenciación por lotes (SBR)
Los reactores de secuenciación por lotes (SBR) tratan las aguas residuales en lotes dentro del mismo recipiente. Esto significa que el biorreactor y el clarificador final no están separados en el espacio sino en una secuencia cronometrada. La instalación consta de al menos dos depósitos idénticamente equipados con una entrada común, que se pueden alternar entre ellos. Mientras un tanque está en modo de sedimentación / decantación, el otro está aireando y llenándose.
Métodos de aireación
Aireación difusa
El licor de aguas residuales se vierte en tanques profundos con sistemas de aireación de rejilla difusora que se fijan al piso. Estos son como la piedra de aire difusa que se usa en los tanques de peces tropicales , pero a una escala mucho mayor. El aire se bombea a través de los bloques y la cortina de burbujas formada oxigena el licor y también proporciona la acción de mezcla necesaria. Cuando la capacidad es limitada o las aguas residuales son inusualmente fuertes o difíciles de tratar, se puede usar oxígeno en lugar de aire. Normalmente, el aire es generado por algún tipo de soplador de aire.
Aireadores de superficie (conos)
Tubos montados verticalmente de hasta 1 metro de diámetro que se extienden desde justo encima de la base de un tanque de hormigón profundo hasta justo debajo de la superficie del licor de aguas residuales. Un pozo típico puede tener 10 metros de altura. En el extremo de la superficie, el tubo se forma en un cono con paletas helicoidales unidas a la superficie interior. Cuando se gira el tubo, las paletas hacen girar el licor hacia arriba y salen de los conos extrayendo nuevo licor de aguas residuales de la base del tanque. En muchas obras, cada cono está ubicado en una celda separada que se puede aislar de las celdas restantes si es necesario para el mantenimiento. Algunas obras pueden tener dos conos por celda y algunas obras grandes pueden tener 4 conos por celda.
Aireación de oxígeno puro
Los sistemas de aireación de lodos activados por oxígeno puro son recipientes de reactor de tanque sellado con impulsores de tipo aireador de superficie montados dentro de los tanques en la interfaz de la superficie del licor de oxígeno y carbono. La cantidad de arrastre de oxígeno, o DO (oxígeno disuelto), se puede controlar mediante un control de nivel de vertedero ajustado y una válvula de alimentación de oxígeno controlada por oxígeno del gas de ventilación. El oxígeno se genera en el sitio mediante destilación criogénica de aire, adsorción por cambio de presión u otros métodos. Estos sistemas se utilizan donde el espacio de la planta de aguas residuales es escaso y se requiere un alto rendimiento de las aguas residuales, ya que la purificación del oxígeno implica altos costos de energía.
Desarrollos recientes
Un nuevo desarrollo del proceso de lodos activados es el proceso Nereda que produce un lodo granular que se deposita muy bien (el índice de volumen de lodos se reduce de 200-300 a 40 mL / g). Se crea un nuevo sistema de reactor de proceso para aprovechar este lodo de sedimentación rápida y se integra en el tanque de aireación en lugar de tener una unidad separada en el exterior. Aproximadamente 30 plantas de tratamiento de aguas residuales de Nereda en todo el mundo están en funcionamiento, en construcción o en diseño, con un tamaño que varía desde el equivalente de 5.000 hasta 858.000 personas.
Cuestiones
Las plantas de lodos activados dependen totalmente de un suministro eléctrico para alimentar los aireadores y transferir los sólidos sedimentados de regreso a la entrada del tanque de aireación y, en muchos casos, para bombear lodos residuales y el efluente final. En algunas obras, las aguas residuales no tratadas se elevan mediante bombas a la obra de cabecera para proporcionar una caída suficiente a través de la obra para permitir una altura de descarga satisfactoria para el efluente final. Las tecnologías alternativas, como el tratamiento con filtro percolador , requieren mucha menos energía y pueden funcionar únicamente con la gravedad.
Puede producirse un aumento de volumen del lodo, lo que dificulta la sedimentación del lodo activado y, con frecuencia, tiene un impacto adverso en la calidad final del efluente. El tratamiento de la acumulación de lodos y la gestión de la planta para evitar una recurrencia requiere una gestión especializada y puede requerir la dotación de personal a tiempo completo en una obra para permitir una intervención inmediata.
La descarga de contaminación industrial tóxica a plantas de tratamiento diseñadas principalmente para tratar las aguas residuales domésticas puede generar alteraciones en el proceso.
Historia
El proceso de lodos activados fue descubierto en 1913 en el Reino Unido por dos ingenieros, Edward Ardern y WT Lockett, que estaban realizando una investigación para el Departamento de Ríos de Manchester Corporation en Davyhulme Sewage Works . En 1912, el Dr. Gilbert Fowler , científico de la Universidad de Manchester , observó los experimentos que se estaban llevando a cabo en la Estación Experimental Lawrence en Massachusetts que involucraban la aireación de aguas residuales en una botella que había sido cubierta con algas. Los colegas de ingeniería de Fowler, Ardern y Lockett, experimentaron en el tratamiento de aguas residuales en un reactor de extracción y llenado , que produjo un efluente altamente tratado. Airearon las aguas residuales continuamente durante aproximadamente un mes y pudieron lograr una nitrificación completa del material de muestra. Creyendo que el lodo había sido activado (de manera similar al carbón activado ), el proceso se denominó lodo activado . No fue sino hasta mucho más tarde que se dio cuenta de que lo que realmente había ocurrido era un medio para concentrar organismos biológicos, desacoplando el tiempo de retención de líquidos (idealmente, bajo, para un sistema de tratamiento compacto) del tiempo de retención de sólidos (idealmente, bastante alto, para un efluente). baja en DBO 5 y amoniaco.)
Sus resultados se publicaron en su artículo seminal de 1914, y el primer sistema de flujo continuo a gran escala se instaló en Worcester dos años después. Después de la Primera Guerra Mundial, el nuevo método de tratamiento se extendió rápidamente, especialmente a los EE. UU., Dinamarca , Alemania y Canadá . A fines de la década de 1930, el tratamiento de lodos activados se convirtió en un proceso biológico de tratamiento de aguas residuales bien conocido en aquellos países donde los sistemas de alcantarillado y las plantas de tratamiento de aguas residuales eran comunes.
Ver también
- Modelo de lodos activados
- Laguna aireada
- Granulación aeróbica
- Reactor granular aeróbico
- Sistema de tratamiento aeróbico
- Tratamiento de aguas residuales industriales
- Lista de tecnologías de tratamiento de aguas residuales
- Biorreactor de membrana
- Contactor biológico giratorio
- Abultamiento de lodos
- Hidrólisis térmica
Referencias
enlaces externos
- Lagunas aireadas de mezcla parcial (hoja informativa sobre tecnología de aguas residuales de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. )
- Tecnología de laguna aireada (Linvil G. Rich, profesor emérito, Departamento de Ingeniería y Ciencia Ambientales, Universidad de Clemson )