(230) En las unidades de lodos activados, los crecimientos de
zoogleas microbianas, matrices o flóculos producidos dentro de las aguas residuales sedimentadas y retornados sistemáticamente a ellas se mantienen aeróbicos y en circulación y suspensión por agitación mecánica o neumática. Las unidades estructurales necesarias para este contacto suspendido son:
1. tanques y canales de terminación con tanques de sedimentación anexos, a través de los que pasa todo el flujo y 2. canales y fosas que cierran o retornan sobre sí mismos y que
pueden descargar sus afluentes a través de unidades sedimentadoras separadas.
Los flóculos abundan en bacterias, hongos, y protozoarios. Por esta razón los originadores del proceso, Ardern y Lockett, los denominaron flóculos de lodos activados. Los requerimientos de oxígeno de los flóculos se suplen por absorción del aire, la que se origina en la atmósfera superior o en el aire comprimido inyectado a las aguas residuales que fluyen. La renovación de la superficie de agua por agitación de las aguas residuales, con o sin formación de gotas pequeñas, promueve la absorción de aire de la atmósfera. Se introducen burbujas de aire a las aguas que fluyen, en forma de aire comprimido desde difusores de aire, o como aire aspirado a las aguas, mediante dispositivos hidráulicos o mecánicos. Los flóculos frescos generados espontáneamente, es decir, sin el retorno de flóculos previamente formados, durante el paso de las aguas residuales a través de las unidades de aireación, no son suficientemente grandes en volumen o en área
para que exista una transferencia considerable de las impurezas del líquido a la fase sólida. Para alcanzar las concentraciones necesarias de flóculos y las intensidades de exposición, se bombean en retroceso flóculos formados en el curso de muchos días hacia el afluente o a las aguas que fluyen en forma de lodos retornados, con o sin sedimentación, espesado o con reaireación. Después de que se ha alcanzado un estado estable, una parte de los lodos se debe desechar como exceso de lodos en vez de recircularse como lodos retornados.
(231) Las cargas asociadas con remociones globales de 85 a 95% de sólidos en suspensión, DBO y DQO son, respectivamente, 108, 96 y 4.54 kg de DBO por 454 kg de sólidos en suspensión en la unidad de aireación, por hora de aireación. Estas cargas son casi las mismas para los filtros rociadores y los aireadores de contacto. El contacto suspendido es un proceso menos tosco que el contacto por goteo, pero posee la ventaja de la flexibilidad y adaptabilidad.
(232) Los cambios que han tenido lugar en el diseño y operación de las plantas de lodos activados desde que se construyeron los primeros tanques de aireación a flujo continuo en Manchester, Inglaterra, en 1917, testifican la inherente flexibilidad del proceso. Al mismo tiempo sugieren que los diseñadores y operadores confían en mejorar las plantas futuras o las plantas actuales de una manera mejor que a través de modificaciones en los sistemas de tuberías, por ejemplo. Es importante el hecho de que los experimentos en laboratorio respondan a preguntas vitales respecto a la administración del proceso de lodos activados, y estas respuestas han probado estar en consonancia con los avances alcanzados en microbiología y bioquímica.
(233) Debido a que este sistema se ha preservado con pocos cambios en las plantas de tratamiento tanto nuevas como antiguas, se le denomina generalmente diseño convencional. En cierto sentido, ésta es una distinción sin una diferencia. Sin embargo, los diseños y operaciones modificados se pueden clasificar en forma útil de acuerdo con el proceso nutricional que se promueve, con su hidráulica y con los métodos de obtención, o de acuerdo con las construcciones y accesorios en que se realiza el proceso.
(234) A estos ejemplos se pueden agregar todos los casos, excepto los de estabilización por contacto y aireación extendida, respectivamente:
1. la reaireación de los lodos en el curso de su retorno al proceso como un medio de reacondicionarlos con, o sin la adición de nutrientes, y
2. la estabilización aeróbica de los lodos que se van a desechar mediante su aireación a un grado superior al requerido para alcanzar el grado deseado de pureza en el efluente.
(235) Las plantas de esta clase se diseñan generalmente para efectuar una remoción próxima al 90 % de DBO de las aguas residuales afluentes o del efluente del tanque primario que llega a las unidades secundarias de tratamiento biológico. Los valores comunes de diseño para plantas sin unidades de reaireación son:
1. una carga del DBO de 22,7 kg o menos por 45,4 kg de sólidos suspendidos en el licor mezclado (SSLM);
2. requerimientos de aire de 14.100 a 19.800 litros por 0,454 kg de DBO removida cuando la carga de DBO no excede de 22,7 kg por 45.4 kg de SSLM;
3. el retorno de lodos activados tiene un volumen suficiente para mantener una concentración de SSLM de 2.000 a 2.500 mg por litro; y una concentración de lodos retornados no mayor de 100 a 120 en relación con el índice de volumen de lodos. Estas relaciones interdependientes implican generalmente la provisión de 4 a 8 hrs. de aireación con 25% de retorno de lodos, un suministro de aire de 14,16 a 56,64 litros por cada 3,785 litros de aguas residuales, y un desecho de lodos de 13.925 a 37.850 litros/3,785 ml de aguas residuales.
(236) La importancia de la reaireación radica en los siguientes aspectos:
1. cuando se retornan lodos bien aireados, espesados y activados a las unidades de aireación;
2. para reducir el tamaño de las unidades de aireación combinadas;
3. para aumentar la flexibilidad de la planta manteniendo en reserva lodos que de otra manera se desecharían, y
4. para mejorar el licor de los digestores que se retorna a la planta para su tratamiento.
(237) Las unidades de aireación se construyen bajo la forma de canales largos de aireación con intenso mezclado transversal y algún mezclado longitudinal, o como tanques circulares o cuadrados con un mezclado esencialmente completo. Los tanques largos se han empleado primordialmente para el tratamiento de volúmenes grandes de aguas residuales; los tanques circulares y cuadrados principalmente en plantas pequeñas de tratamiento y para explotar dispositivos mecánicos de aireación. Indudablemente, el desplazamiento longitudinal idealizado del licor mezclado en los tanques largos se tomó de la diferenciación zonal de la purificación que tiene lugar en las
aguas receptoras y en los filtros biológicos. Para este fin, el mezclado longitudinal se redujo intencionalmente, durante un tiempo, mediante la construcción de mamparas transversales con grandes bocas en el fondo.
(238) Las velocidades de transferencia de los organismos a los lodos, de alimento a los microorganismos, y de DBO a los lodos, así como los requerimientos de oxígeno del proceso, la remoción de DBO (probada sobre muestras sedimentadas), y el desarrollo de los flóculos, es elevada al principio. Disminuyen conforme los volúmenes particulares de licor mezclado se mueven a través de la unidad de aireación. Cinéticamente, el progreso global es de primer orden o de primer orden retardado. Al final, el proceso se convierte en endógeno. Se forman flóculos de zoogleas, sedimentables, conforme se agotan los nutrientes disponibles y la endogenía estabiliza los lodos durante la aireación prolongada o durante la reaireación. (239) La mayoría de las modificaciones del proceso convencional tienden a mejorarlo, no tanto con relación a los volúmenes removidos, sino respecto a capacidades más reducidas de los tanques, requerimientos disminuidos de aire y potencia, concentraciones aumentadas de los lodos retornados y desechados, y mayor estabilidad del proceso. A continuación se dan ejemplos de estas modificaciones.
(240) Mediante la introducción de las aguas residuales en forma uniforme o en una serie de incrementos a los canales de aireación que de otra forma serían convencionales, se distribuye la carga orgánica sobre el rango de operación de la unidad y se suprimen los efectos de las fluctuaciones en la calidad del afluente y de los lodos. Los nutrientes sostienen la población de flóculos más uniformemente, las demandas y requerimientos de oxígeno decrecen a una gama más estrecha y se logra una aproximación a la operación en estado estable, así como a las condiciones isotrópicas o al mezclado completo. (241) Este proceso introduce una igualdad operacional en los canales largos de aireación mediante una elaboración adicional del proceso de distribución de las cargas. Las curvas de comportamiento se aproximan a líneas rectas horizontales, pero se unen en el diagrama para indicar lo que está sucediendo en la unidad.
(242) El flujo se hace pasar a través de un par de tanques de aireación y sedimentación en serie. Los lodos se retornan o se desechan en cada etapa, o el exceso de lodos de una etapa se recircula a la otra. En esta forma, se puede aprovechar con la mejor ventaja, la calidad de ambos lodos. El proceso ofrece la opción física de la estabilización por contacto.
Distribución de la carga de aireación en etapas Isotrofismo o igualación de los nutrientes mediante mezclado completo Tratamiento de dos etapas
(243) Este proceso reconoce la importancia de la transferencia y potencial operacional de los primeros 20 a 40 min. de aireación. En concordancia, separa los lodos sedimentables de las aguas residuales al final de este período y continúa la asimilación de los compuestos orgánicos solubles en una segunda unidad de aireación, a la que se puede agregar el sobrenadante de los digestores como nutriente. Los lodos de esa sola unidad se retornan generalmente a las aguas residuales entrantes.
(244) La base de este proceso consiste en un tratamiento parcial o en un grado intermedio de tratamiento. La aireación en período corto se combina ya sea con un licor mezclado diluido a una concentración de 650 mg/l, por ejemplo; o bien, con un licor mezclado de muy alta concentración. En el primer caso, la relación de alimento a microorganismos es alta; en el segundo, relativamente baja. Sin embargo, las velocidades de asimilación del alimento pueden ser esencialmente las mismas. (245) Ya se ha sugerido que el principal servicio de la aireación extendida consiste en la estabilización de los lodos que se van a desechar. Por consiguiente, se presenta una disminución de la DBO en los lodos, así como en las aguas residuales sujetas a tratamiento. La disminución en la DBO de los lodos se obtiene por endogenía. (246) A diferencia de los filtros biológicos convencionales, pero en forma similar a los filtros rociadores que contienen medio plástico de contacto, las unidades de aireación de lodos activados pueden aceptar con bastante impunidad los sólidos en suspensión así como los disueltos. Por consiguiente, algunas plantas de lodos activados han limitado el tratamiento primario o preparatorio a la remoción de arenas seguida de un tamizado, otros a una sedimentación breve. Una razón que se ha dado para eliminar la sedimentación primaria normal, consiste en producir la mayor cantidad posible de lodos comerciales. Sin embargo, de acuerdo con el principio general de que las operaciones unitarias se llevarán a cabo en mejor forma cuando el diseño acentúe sus capacidades únicas, la gran habilidad de los lodos activados para remover las materias orgánicas de solución ha persuadido a los ingenieros a relevar las unidades de aireación de la carga sedimentable tanto como sea posible. Similar en concepto pero opuesto en orientación, es el paso de aguas residuales industriales a través de filtros primarios, es decir, de filtros biológicos de alta tasa, antes que las unidades de lodos activados. El propósito, en este caso, consiste en dejar que el tosco filtro biológico proteja a los sensitivos lodos activados contra las cargas bruscas de residuos difíciles y posiblemente tóxicos.
(247) Dentro de las unidades de aireación de los lodos activados y de separación de los lodos, el esfuerzo dentro del diseño del proceso se aplica a:
Estabilización por contacto Operación a alta velocidad Aireación extendida Diseño de proceso de lodos activados”
1. la transferencia de la materia orgánica a las células bacterianas dispersas, así como a los lodos activos;
2. la aglomeración de las células, los flóculos biológicos y los desechos en forma de sólidos sedimentables;
3. el acondicionamiento de los flóculos para retornar al proceso como lodos activados, ya sea en el curso de la aireación o por reaireación separada de los lodos retornados; en algunas ocasiones, mediante la adición del licor de los lodos de los digestores como una fuente de nutrientes, incluyendo los fosfatos y el nitrógeno, y
4. la estabilización aeróbica opcional del exceso de sólidos durante la aireación extendida, una opción que generalmente se ejecuta a través del agrandamiento de las unidades principales de aireación o mediante la construcción de unidades separadas para este propósito específico. Con este fin, se pueden también destinar las unidades disponibles de reaireación. En esta forma, por ejemplo, se puede evadir un tratamiento adicional de los lodos de desecho.
(248) Los lodos activados intervienen sólo en forma indirecta, de acuerdo con el volumen de lodos agregados a las aguas residuales entrantes, con el tamaño del tanque requerido para proporcionar el tiempo especificado de contacto en la unidad de tratamiento, los medios y cantidad de aireación suministrada para mantener aeróbicos a los lodos, la movilidad impartida a los lodos además de la requerida para impedir únicamente su sedimentación, la separación de los lodos del licor mezclado en los tanques secundarios de sedimentación, y el retorno de los lodos al sistema de tratamiento y su posible aireación adicional, ya sea antes del retorno, o antes de su remoción.
(249) En la práctica, la cantidad de lodos retornados que activa el proceso se identifica en tres formas para fines de diseño y operación:
1. como el volumen relativo de lodos activados retornados al afluente;
2. como el volumen de sólidos en suspensión que se sedimentan del licor mezclado, y
3. como la concentración en peso seco, de los sólidos que se sedimentan del licor mezclado. Se identifica también, la relación de (3) a (2), como el índice del volumen de sólidos. (250) El porcentaje de la concentración en volumen de lodos activados Ps, retornados al afluente, varia en la práctica de 10 a 30 %, con un promedio del 20 %del afluente. Se utiliza esta cifra para determinar las capacidades de las bombas y de las tuberías que transportan los lodos retornados. Esta no es una medida confiable de la cantidad de material de contacto o de la superficie
Flóculos de los lodos activados
de adsorción en las unidades de aireación, porque la concentración de los sólidos activos en los lodos activados (y con ella, de su área superficial relativa), varía ampliamente en plantas diferentes y también, en forma periódica, dentro de la misma planta. Una concentración de 0,2 % en peso de sólidos secos, en los lodos, es insuficiente y la de 2 % muy satisfactoria.
(251) La concentración en volumen de la materia suspendida, Pv, en el licor mezclado de la unidad de aireación, varía generalmente entre 10 y 25 %. Esta relación se encuentra, por lo general, a través de la medición del volumen de lodos que se sedimenta de 1,01 de licor mezclado en 30 min. El procedimiento no es analíticamente exacto debido a que las propiedades de sedimentación y compactación de la materia suspendida varían a lo largo de gamas amplias. Sin embargo, la prueba se efectúa con facilidad y es útil en el control del proceso. El volumen de materia sedimentable es inherentemente del mismo orden de magnitud que el porcentaje de lodos retornados, porque las aguas residuales afluentes contienen sólo una pequeña cantidad de materia sedimentable: < 0.05 % de los sólidos sedimentables en las aguas residuales antes de la sedimentación primaria.
(252) La concentración en peso seco de los sólidos en suspensión o de sólidos volátiles suspendidos en el licor mezclado se puede determinar con gran precisión analítica. En la práctica, la concentración de sólidos en suspensión, en peso Pw, varía entre 0,06 y 0,4% (600 a 4.000 mg/l) y promedia 0,25 %, siendo la porción volátil aproximadamente de tres cuartas partes del total. Debido a que actualmente, no existe en disponibilidad un medio mejor, esta determinación se utiliza en las relaciones de comportamiento que se estudian en este capítulo, aun cuando consiste únicamente en una medida indirecta del área de la superficie de contacto suministrada. (253) El índice del volumen de lodos, Iv, o relación de concentración en volumen a concentración en peso seco de los sólidos en suspensión, Pv/Pw, es específicamente el volumen en mililitros ocupado por 1 g de lodos, en peso seco, después de 30 min. de sedimentación. Los cálculos se basan generalmente en la relación que existe en el licor mezclado de los mililitros de lodos que se sedimentan x 103, a los miligramos
de sólidos en suspensión por litro. El índice del volumen de lodos de los lodos activos con buenas características de sedimentación, se encuentra entre 50 y 100. En cambio, los lodos hinchados tienen un índice de 200, o mayor.
(254) El índice del volumen de lodos es útil en el control del proceso de tratamiento. La cantidad de lodos recirculados capaces de mantener un porcentaje determinado de sólidos, Pw, en el licor
mezclado se establece por la relación de recirculación, R/I, y el índice del volumen de lodos en la siguiente forma:
− = ) 1 Iv . Pw ( 100 1 I R
(255) Aquí, R es el flujo recirculado e I es el afluente, y se supone que la concentración de sólidos de los lodos bombeados desde los sedimentadores secundarios es el mismo que el que se obtiene mediante la prueba del índice de volumen de lodos. Debido a que las condiciones de sedimentación varían ampliamente, pueden haber desviaciones considerables a partir de esta relación.
(256) Un valor generalmente aceptado de la carga permisible de los lodos activados es de 50 kg de DBO por 6.100 kg de sólidos en suspensión en el sistema de aireación. En tanto que no se exceda esta intensidad de carga, se puede esperar una reducción de 90 % en la DBO del afluente. Las cargas más altas darán por resultado remociones relativas más bajas.
(257) En las plantas de aire difundido, el oxígeno necesario se suministra por aire que se dispersa dentro de las aguas residuales (acción de las burbujas) y por la atmósfera en contacto con la superficie de las aguas (aireación superficial). En las plantas de aireación mecánica, ésta proviene sólo de la atmósfera. Los agentes comunes de transferencia son:
1. pequeñas gotas formadas por dispositivos rotativos en forma de cepillo o de turbina que se sumergen en el licor mezclado o lo impulsan a través de tubos de ascenso y asperjan las gotas sobre la superficie del tanque (acción de las gotas), 2. burbujas de aire generadas mediante dispositivos en forma
de turbina que impulsan aire y licor mezclado a través de tubos conductores en descenso.
La transferencia de oxígeno hacia las gotas pequeñas es más rápida que el transporte de oxígeno desde las burbujas de aire, debido a que la película interfacial es aproximadamente de una tercera parte del espesor. Sin embargo, el tiempo de exposición de las gotas es generalmente muy corto.
(258) La eficiencia de la transferencia de oxigeno de la aireación con burbujas se encuentra por lo general, entre 5 y 15 %. Debido a que un litro de aire libre contiene alrededor de 273 mg de oxigeno, se pueden absorber del tanque de 14 a 41 mg de oxigeno por cada litro de aire difundido al interior del tanque.
(259) Una demanda horaria máxima de 50 a 80 mg/l por 1,000 mg/l de sólidos volátiles suspendidos, ejercida cerca del principio, se aproxima a la velocidad básica promedio de retorno de lodos
Requerimientos de aire de los lodos activados