U N I V E R S I D A D D E L B I O - B I O FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL “Evaluación de la proliferación de bulking en sistemas de tratamiento de lodos activos” Proyecto de Título presentado en conformidad a los requisitos para obtener el Título de Ingeniero Civil RODRIGO ARELLANO ORELLANA Prof.Guía: Pedro Cisternas Osorio
es un sistema de tratamiento con lodos activados para estudiantes de ing civil
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
U N I V E R S I D A D D E L B I O - B I OFACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL
“Evaluación de la proliferación de bulking en sistemas de tratamiento de lodos activos”
Proyecto de Título presentado en conformidad a los requisitos para obtener elTítulo de Ingeniero Civil
2.4.4 IMPACTO DE LA CARENCIA DE NUTRIENTES................................................................... 53
2.4.5 EVALUACION DE FENOMENOS DE BULKING.................................................................... 54
2.4.5.1 IDENTIFICACIÓN DE BULKING.......................................................................................... 55
2.4.5.1.1 CLASIFICACION POR SEDIMENTABILIDAD ................................................................ 58
3 DESARROLLO EXPERIMENTAL: PROCESO DE LODOS ACTIVOS AESCALA DE LABORATORIO .............................................................................. 59
3.1 DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA A ESCALA DE LABORATORIO .......................................... 59
Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas y Spirillum.
• Microfauna
La microfauna de los lodos activos consiste en los siguientes grupos de protozoos
y metazoos: Los protozoos flagelados, rizados, ciliados y los metazoos
nematodos, rotíferos.
La función que cumplen en el sistema de lodos activos es incrementar la
floculación de las bacterias, remueven las bacterias dispersas por adsorción y
predación, incrementan la carga másica porque reducen el número de bacterias
como resultado de la predación y absorben directamente sustratos.
-
2.2.4 CINÉTICA DEL CRECIMIENTO BIOLÓGICO
La comunidad biológica encargada del proceso de depuración requiere de un
ambiente controlado que asegure que los microorganismos disponen del medio
adecuado para su desarrollo. Las condiciones se pueden controlar mediante la
regulación del pH, de la temperatura, la adición de nutrientes o elementos traza,
adición o exclusión de oxígeno, mezcla adecuada, etc.
Se menciona a continuación la cinética del crecimiento biológico.
♦ Crecimiento CelularEn los cultivos de alimentación continua como discontinua la tasa de crecimiento
de células bacterianas se puede definir como:
rg = µ * X
(Metcalf and Eddy, 1995)
donde rg : tasa de crecimiento bacteriano, [M*L *T-1].
µ : tasa de crecimiento específico,[T-1].
X : concentración de microorganismos, [M*L-3]
m
♦ Crecimiento con limitación de
sustrato
En cultivos de alimentación discontinua, donde el substrato o nutrientes están
presentes en cantidades limitadas, el que primero se agote detendrá el
crecimiento. Por tanto en un cultivo de tipo continuo, el hecho de que se agote uno
de estos requisitos provocará un efecto de limitación del crecimiento. Monod
desarrolló la siguiente expresión para determinar el efecto de disponer cantidades
limitadas de substrato o nutrientes.
Sµ = µm * (Metcalf and Eddy, 1995)KS + Sdonde
µ = Tasa específica de crecimiento [ T-1]µ = Tasa específica máxima de crecimiento [ T-1]S = Concentración en la solución del sustrato limitante del crecimiento [M∗L-3]KS = Constante de velocidad media, concentración del sustrato en la mitad de la velocidad máxima de crecimiento, [M∗L-3]
Ve
loci
dad
espe
cífic
a de
, µcr
ecim
ient
o
En la figura 2.4 se ilustra el efecto de la concentración de substrato sobre la
tasa de crecimiento específico.
µmáx
KM=[S], cuando µ= ½ µmáx
½ µmáx
Concentración de Sustrato o , [S]KM nutriente limitante
Figura 2.4Efecto sobre la velocidad específica de crecimiento por la existencia de un
nutriente o substrato limitante(Fuente, Rittmann)♦ Crecimiento celular y utilización del
sustratoEn los sistemas de cultivo de alimentación continua y en los de alimentación
discontinua, una parte del substrato se transforma en células nuevas y otra parte
se oxida, dando origen a productos finales orgánicos e inorgánicos. Puesto que
se ha observado que la cantidad de células nuevas producidas se puede
reproducir para determinado sustrato, se desarrolló la siguiente relación entre la
tasa de utilización del sustrato y la tasa de crecimiento:
rg = Y * rSU (Metcalf and Eddy, 1995)
g
d
-
-
donde:
r : tasa de crecimiento bacteriano [M*L-3]
Y : coeficiente de producción máximo medido durante cualquier periodo finito
de la fase de crecimiento exponencial, definido como la relación entre la masa
de células formadas y la masa de substrato consumido, [M/M]
rSU : tasa de utilización del substrato [M*L *T-1]
♦ Metabolismo
endógeno
Corresponde a la disminución de la masa celular debido a la muerte y depredación
de las células presentes en el proceso. También considera que en los sistemas
bacterianos la distribución de edades de las células es tal que no todas las células
del sistema están en la fase de crecimiento exponencial. Por esta razón se debe
corregir la expresión de la tasa de crecimiento para considerar la energía
necesaria para el mantenimiento celular. La expresión que representa el
decaimiento endógeno es:
rd = −kd * X (Metcalf and Eddy, 1995)
donde:
rd : descomposición endógena [M*L *T-1]
k : coeficiente de descomposición endógena, [T-1]
X : concentración de células, [M*L-3]
♦ Oxígeno Disuelto y
Transferencia
El tratamiento de lodos activos se realiza por naturaleza en condiciones aeróbicas.
Por lo tanto la transferencia del oxígeno al licor de mezcla y la cantidad de éste
disuelto en el licor de mezcla es de suma importancia para el correcto desarrollo
del proceso.
El oxígeno como insumo limitante debe estar disponible en el reactor biológico en
una cantidad mayor o igual a la demanda generada por las aguas residuales.
Como mínimo se recomienda por lo menos 2 mg/l de oxígeno disuelto. El objetivo
de la transferencia de oxígeno es que interactúe de manera simultánea con las
aguas residuales y el licor de mezcla debido a que este último lleva a cabo el
proceso de depuración, lo cual implica el cumplimiento de tres etapas en este
proceso:
a) Poner en contacto el oxígeno con las aguas residuales
b) Transferir el oxígeno a través de la interfase gas-líquido para disolverlo en
el líquido.
c) Transferir el oxígeno disuelto a través del líquido hasta los
microorganismos.
La transferencia de oxígeno va a tener como fuerza impulsora la diferencia de
actividad que viene dada por la diferencia de concentración de oxígeno en la
interfase líquido-gas y en la fase líquida. Además va a tener un coeficiente de
transferencia de materia. Como la solubilidad del oxígeno en el agua es muy baja,
se supone que el proceso total está controlado por la segunda etapa (Winkler,
1987).
♦ Efectos de la temperaturaDurante el proceso bioquímico de depuración de la materia orgánica, las
constantes de velocidad de la reacción biológica son fuertemente dependientes de
la temperatura. La temperatura no sólo influye en las actividades metabólicas de la
población microbiana, sino que también tiene un efecto sobre factores tales como
la transferencia de gases y sobre las características de sedimentación de los
sólidos biológicos. El conjunto de estos factores sobre la velocidad de reacción de
un proceso biológico se puede expresar de la siguiente manera:
rT = r20 *θ (T
−20)
(Metcalf and Eddy, 1995)
donde:
rT : velocidad de reacción a T °C
r20 : velocidad de reacción a 20 °Cθ : coeficiente de actividad – temperatura
T : temperatura en °C
⎝ ⎠
⎝ ⎠
2.2.5 PARÁMETROS DE OPERACIÓN
El proceso de tratamiento a través de lodos activos se puede caracterizar a través
de ciertos parámetros propios del proceso. Es a través de estos parámetros que
se puede llevar un adecuado control del proceso e identificar problemas o
regímenes de operación.
Carga Másica
Se define la carga másica del reactor biológico a la relación entre la masa de
alimentación en un día de materia orgánica al reactor y la masa de lodos
contenida en el reactor. La medida de la masa de materia orgánica es a través de
la DBO y la de lodos a través de sólidos suspendidos.
Cm= F ⎛ (Alimento) ⎞M
⎜ (Microorganismos)
⎟⎛ m3⎜⎜ g ⎞
* ⎟m3 ⎟
Cm= = Q*DBO
⎝ d i a ⎠V*SSLM ⎛ g ⎞⎜ m3 * ⎟⎜ m3 ⎟⎝ ⎠
Cm= Q*DBO ⎛ 1 ⎞V*SSLM ⎜
dia ⎟ (Cisterna, 2000)
La literatura clasifica según el valor de la carga másica en tres tipos de procesos.
Se define el proceso de aireación extendida cuando la carga másica se encuentra
entre 0,05 y 0,15. Si analizamos este rango observamos que los microorganismos
disponen de una cantidad limitada de alimento, por lo cual gran parte de ellos se
encontrarán en situación de hambruna, con lo que se fomentará la
descomposición endógena, donde los mas fuertes se comerán a los mas débiles.
Así el lodo estará más estabilizado.
También se define el proceso de operación convencional cuando la carga másica
se encuentra en un rango de 0,2 – 0,4, en el cual los microorganismos disponen
de una cantidad moderada de sustrato. Por último se define el proceso de alta
tasa con cargas másicas comprendidas entre 0,4 y 1,5, donde los
microorganismos contenidos en el reactor biológico disponen de abundante
sustrato. Cabe mencionar que esta última variante del proceso entrega lodos
menos estabilizados por lo cual se hace necesaria la estabilización de lodos.
(Metcalf and eddy, 1995)
Caudal de Recirculación
Para mantener la concentración constante en el reactor es necesario recircular la
biomasa que sale del reactor y sedimenta en el clarificador secundario. A través
de un balance de masa en el tanque de aireación se puede obtener el caudal de
recirculación necesario para mantener la concentración.
Si se observa la figura 1 se puede realizar un balance de masa en el tanque de
aireación como se muestra a continuación:
Qentrada *SSentrada + QR * SSR = (Qentrada + QR ) * SSLM
Despejando QR se tiene
Q = Q *(SSLM-SSentrada )
R entrada (SSR − SSLM) Tiempo de residencia hidráulico TR
Este parámetro representa el tiempo que permanece el agua residual en contacto
con la biomasa. Se calcula a través de la siguiente expresión:
TR = Vreactor
Q[T]
entrada
Tiempo medio de retención celular o edad celular
Representa el tiempo que los microorganismos permanecen en el sistema y se
calcula de la siguiente manera:
θ =C Q * SST
V * SSLM+ Q * SST[T]
Purga Purga efluente efluente
De acuerdo al tipo de proceso (aireación extendida, convencional, alta tasa) se
establece la edad celular. Por ejemplo, para sistemas de aireación extendida los
sólidos biológicos deberían permanecer en el sistema entre 20 a 30 días, en tanto
que en un proceso de alta carga los sólidos deberían permanecer entre 5 a 10
días. Así se puede controlar la edad celular a niveles recomendados para el
correcto desarrollo de la biodegradación y estabilización de los lodos. (Metcalf and
Eddy, 1995)
2.3 SEDIMENTACIÓN SECUNDARIA
El proceso de remoción de la contaminación orgánica del agua residual es de vital
importancia para el tratamiento biológico tanto como lo es el proceso de
sedimentación o separación de la biomasa del clarificado, ya que si este último no
ocurre, sólo se habrá transformado la contaminación carbonosa en contaminación
biológica y la calidad del efluente se verá afectada sustancialmente.
El proceso de sedimentación gravitacional muchas veces se transforma en una
etapa muy engorrosa, mucho más que la remoción de la polución.
El rol del sedimentador secundario es:• Separar el lodo activo del agua residual tratada
• Espesar el lodo activo separado tal que el agua contenida en exceso y el
caudal de recirculación sean minimizados.
La máxima eficiencia en la separación del lodo activo del agua residual tratada es
necesaria para proteger los cursos receptores de la polución adicional de los
efluentes secundarios (post tratamiento biológicos). Los sólidos en suspensión que
se escapan del sedimentador secundario no están formados por partículas inertes
sino por flóculos de microorganismos vivientes de pequeño tamaño que no
alcanzaron a sedimentar. Esos microorganismos respiran y consumen el oxígeno
disuelto de los cuerpos receptores.
Es por esto que requieren especial atención los problemas operativos generados
en las plantas de lodos activos. Cabe señalar que no necesariamente son causa
del operador sino a cambios en los parámetros característicos de las aguas
residuales o la biocenosis del lodo activo.
2.3.1 TIPOS DE SEDIMENTACION
En la teoría de sedimentación se describen cuatro tipos de sedimentación, - la
sedimentación de partículas discretas, sedimentación floculenta, sedimentación
zonal o retardada y la sedimentación por compresión - de los cuales sólo tres son
aplicables a los lodos activos o mejor dicho la sedimentación de partículas
discretas no es relevante en los lodos activos. Se describen las tres aplicables a
los sistemas de lodos activos
Sedimentación Floculenta
Este tipo de sedimentación o etapa de la sedimentación ocurre para partículas que
no se comportan como partículas discretas. Por el contrario, tienden a agregarse
unas a otras durante el proceso de sedimentación. Es decir se produce la
coagulación o coalescencia, o mejor dicho la masa de partículas va aumentando y
se deposita a mayor velocidad. Esta parte de la sedimentación ocurre en la parte
superior del sedimentador
Sedimentación Zonal o Retardada
En esta etapa de la sedimentación debido a las altas concentraciones de sólidos,
el líquido clarificado tiende a ascender por los espacios insterticiales existentes
entre las partículas. Como consecuencia de ello, los sólidos que entran en
contacto tienden a sedimentar en zonas o capas, manteniendo entre ellas las
mismas posiciones relativas. A medida que van sedimentando las partículas se
produce una zona relativamente clara por encima de la región de sedimentación.
En esta etapa la velocidad de sedimentación es función de la concentración de
sólidos y de sus características.
Sedimentación por Compresión
Posterior a las dos etapas descritas, a medida que avanza el proceso de
sedimentación comienza a formarse en el fondo del sedimentador una capa de
partículas comprimidas. En esta región las partículas forman una estructura en
que existe contacto entre ellas. En esta fase los flóculos se comprimen y la
sedimentación sólo se produce por la compresión de las partículas a medida que
siguen sedimentando partículas en la parte superior del sedimentador.
En la figura 2.5 se ilustran las fases de sedimentación en un cilindro para una
concentración inicial C0 y la curva de sedimentación Altura v/s Tiempo
Figura 2.6 Curva de tipos de sedimentación
Pro
fund
idad
(cm
.)
Clarificado
Sedimentación Discreta
Sedimentación Floculenta
Sedimentación Retardada o zonal
Zona de compresión
Tiempo (min.)
Figura 2.5 Tipos de sedimentación de lodos activos
2.3.2 FORMACIÓN DE FLOCULOS DE LODOS ACTIVOS
La formación de flóculos en los lodos activos es muy importante en el proceso de
sedimentación, dado que si los microorganismos no floculan, difícilmente
sedimentarán gravitacionalmente como partículas discretas.
Los flóculos de lodos activos están formados por varias especies de
microorganismos llamados formadores de floc (floc-formers).
Estos formadores de flóculos están representados principalmente por el género de
las Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligenes, Citromonas, Flaviobacterium, y
Zoogloea. Éstos y muchos otros quimiorganotróficos son capaces de convertir
sustratos orgánicos en materia extracelular específico llamado glycocalyx .
El glycocalyx es un polisacárido que contiene una membrana que rodea la
membrana extracelular de células Gram negativas y el peptidoglycan en células
Gram positivas. Dado que el glycocalyx es un polímero orgánico, éste incrementa
la viscosidad del agua, lo que ayuda a las células individuales a formar el medio
ambiente necesario para la actividad de las enzimas extracelulares. Este polímero
viscoso habilita la unión de células individuales o la unión a agregados de un
tamaño mayor.
En suma, la floculación es producida gracias a la existencia de este polímero en el
licor de mezcla. Sin embargo dependiendo de su concentración dará lugar a una
buena o mala sedimentación.
2.4 PROBLEMAS CON LA SEPARACIÓN DEL LODO ACTIVO DEL
AGUA TRATADA
Ya conocido el objetivo de la sedimentación secundaria es interesante averiguar
qué pasa cuando no se cumple el objetivo principal de este proceso. Si bien el
agua residual ya ha sido tratada, es decir la contaminación orgánica con la que
llegaba el agua residual a la planta ya ha sido removida, no siempre es posible
separar la biomasa del agua “clarificada”, las razones de este problema son
muchas. Es por esto que los problemas en la separación de la biomasa se
manifiestan de formas distintas, por ej.: lodo abultado, ascendente, etc.
Esta investigación está referida únicamente al bulking o lodo abultado, es decir no
se trataron otros problemas de la sedimentabilidad de los lodos.
2.4.1 BULKING
2.4.1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Una definición de bulking o fango voluminoso es aquel lodo activo que posee
pobres características de sedimentabilidad y escasa compactabilidad. Es decir en
el sedimentador secundario no se separa el lodo del agua clarificada, provocando
que las condiciones de salida del efluente no cumplan con las exigencias
ambientales.
Generalmente se ha asociado la pobre sedimentabilidad y abultamiento del lodo al
crecimiento desmesurado de microorganismos filamentosos. Estos
microorganismos eran llamados sphaerotilus o activated sludge fungi en los
primeros estudios de este problema. En la actualidad se han identificado más de
treinta clases diferentes de microorganismos que pueden provocar este problema
en las plantas de lodos activos. También se identificó el fenómeno de bulking no
filamentoso, en el que la causa no era por el crecimiento desmesurado de
filamentosas, sino al agua embebida en el flóculo, de forma que las células
presentes en el flóculo se hinchan con agua hasta el punto que reducen su
densidad y no sedimentan, y por último está el bulking viscoso debido al exceso
de biopolímeros (Wanner, 1994).
2.4.2 BULKING FILAMENTOSO
Se le llama bulking filamentoso al tipo de bulking que es producido por una
población importante de bacterias filamentosas. En condiciones normales la
compactación de los flóculos de lodo se produce por la capacidad que tienen de
unirse entre sí. Así el agua es repelida por la reducción de los espacios entre ellos
por acción de la gravedad.
Las filamentosas interfieren con la sedimentación y compactación de dos
maneras:
Algunas clases de bacterias filamentosas crecen mejor en el interior de los
flóculos, modificando su forma a una estructura abierta muy difusa. Esos flóculos
abiertos proporcionan una porción de espacio al agua, de manera que a pesar de
la agregación individual de los mismos no están mecánicamente impedidos de
sedimentar por las bacterias filamentosas, sino que está limitada por demasiada
agua capturada en el lodo.
La segunda forma en que las bacterias filamentosas pueden deteriorar la
sedimentación y la compactación de los flóculos de lodos activos es mucho más
común. La mayoría de los microorganismos filamentosos observados destacan por
su preferencia de flóculos firmes y estables dentro del fluido abultado.
Las bacterias filamentosas, que en bajo número forman una estructura o sostén de
flóculos firmes y estables, en gran número de ellas son capaces de impedir la
compactación de flóculos individuales. Un ejemplo de este tipo de red se muestra
en la figura 2.6.
Figura 2.6, Flóculo entrelazado por filamentosas
Este fenómeno llamado bulking filamentoso tiene un gran efecto tanto en la
separación del lodo del clarificado como en el espesamiento del lodo. Los efectos
que produce sobre el lodo activo son de gran relevancia y difícil manejo. Los
efectos conocidos de pobre compactación del lodo son:
Bajas concentraciones del lodo de recirculación y de purga
Dificultad para mantener la concentración de SSLM en el reactor biológico
Pobre espesamiento del lodo
Susceptibilidad a sobrecargas hidráulicas
Las velocidades de sedimentación del lodo activo se tornan inaceptables para una
eficiente separación del lodo.
2.4.3 BULKING VISCOSO
Este tipo de bulking corresponde al lodo activo que posee una cantidad excesiva
de biopolímeros extracelular, que le concede al lodo activo una consistencia
viscosa como jalea. Como los biopolímeros son coloides hidrofílicos, el lodo activo
llega a tener una alta retención de agua. Tal es la hidratación que exhibe el lodo
que su velocidad de sedimentación y compactación baja. Efectos de este tipo de
bulking son:
Efluentes con lodo viscoso
Lodo de recirculación y purga diluidos
Estos dos problemas son realmente causados por la presencia excesiva de
biopolímeros en el lodo activo y su presencia es fácil de determinar al
microscopio.
Cuando el lodo activo es intensamente aireado puede aparecer espuma o
eventos de espumas esporádicos.
Como intentos de remediar el problema de bulking se agregan dosis de fósforo
(siempre cuando la concentración de nitrógeno esté disponible para aquello) o se
vuelve a airear el lodo viscoso, lo que no siempre resulta.
La experiencia ha llevado a afirmar que la enorme producción de biopolímeros es
una reacción de algunas bacterias organotróficas a la falta de nutrientes,
micronutrientes, o a la presencia de compuestos tóxicos.
La producción de biopolímeros es característica de la mayoría de los
microorganismos formadores de flóculos, pero bajo condiciones normales la
cantidad de biopolímeros es justo la necesaria para la formación de flóculos
firmes.
Una vez que se ha determinado que se está en presencia de bulking viscoso es
muy difícil remediar el problema. No se puede agregar peróxido de hidrógeno ni
polímeros para remediar el bulking, pero experiencias de van Leeuwen (citado por
Wanner, 1994) pronostica buenos resultados adicionando ozono.
2.4.4 IMPACTO DE LA CARENCIA DE NUTRIENTES
Anteriormente se mencionó que los microorganismos necesitaban sustratos para
su metabolismo, es decir, para el anabolismo que se encarga del crecimiento de
nuevas células y la mantención de los tejidos y para el catabolismo que se
encarga de la producción de energía para todas las reacciones internas y externas
de las células. Además de la fuente de carbono, necesitan nutrientes para la
síntesis de compuestos celulares. Por lo tanto la presencia de nutrientes es
esencial para el crecimiento balanceado de los microorganismos. Sin embargo
cuando las concentraciones de nutrientes no están de acuerdo con los
requerimientos celulares, los compuestos orgánicos provenientes de las aguas
residuales no pueden continuamente seguir siendo transformados en biomasa.
Dependiendo de las concentraciones de estos nutrientes la síntesis de nueva
biomasa puede incluso cesar o su senda bioquímica cambiar.
La respuesta de los microorganismos a la carencia de nutrientes consiste en
desviar el flujo de carbono extracelular de la ruta habitual para producir polímeros
y polisacáridos en lugar de proteínas y otros compuestos celulares. De esa
manera la escasez de nutrientes en el licor de mezcla provoca siempre un
incremento peligroso de bulking viscoso causado por un exceso de biopolímeros
extracelulares. Más aún algunos microorganismos filamentosos crecen
preferentemente bajo condiciones de nutriente limitante. Es por esto la especial
observación a la desproporción de nutrientes con la fuente carbónica.
2.4.5 EVALUACION DE FENOMENOS DE BULKING
A lo largo de la historia del proceso de lodos activos son muchas las medidas que
se han llevado a cabo para cuantificar las propiedades de la sedimentación,
espesamiento, espumas, etc. El principio de todos los métodos existentes es
obtener información básica acerca de los problemas de separación del lodo.
Desafortunadamente esos métodos no proporcionan ninguna alerta temprana de
problemas de bulking o foaming1.
Para cumplir este propósito se debe saber la tendencia de los valores de
sedimentación y tiempos periódicos de eventos de foaming, microfotografías de
los lodos activos por un periodo de tiempo largo, un esquema de la planta y lo más
importante, es estrictamente necesario saber la composición de las aguas
residuales.
Los métodos que describen las características de separación de los lodos no son
universales. Es extremadamente difícil determinar que lodo tiene buenas
propiedades de sedimentación y cual malas. Por ejemplo: mientras una planta
puede ser operada con un índice volumétrico de lodos de 150-200 ml/g, otra
operada con 100-150 ml/g presentará inestabilidad, especialmente con tanques de
sedimentación poco profundos.
1 Foaming: espuma causada por ciertos tipos de microorganismos filamentosos.
2.4.5.1 IDENTIFICACIÓN DE BULKING
La identificación de fenómenos de bulking se puede hacer de dos maneras: a
través del índice volumétrico de lodos o por inspección visual.
Índice Volumétrico de Lodos: Este test de sedimentabilidad es uno de los
más antiguos introducido para la cuantificación de las propiedades de los lodos
activos. Dada su simplicidad de realizar ha sido utilizado ampliamente en
investigaciones y en la operación de plantas de tratamiento aún cuando los
propósitos originales no eran esos.
Por tal razón se han introducido muchas variantes a la realización del
procedimiento del índice volumétrico original.
Este ensayo representa el volumen ocupado por un gramo de lodos.
IVL ⎛ ml ⎞
=Vol30 minutos * 10000⎜
g ⎟
SST⎝ ⎠El test se realiza en un cilindro graduado y el volumen sedimentado a los 30
minutos es leído después de dejar sedimentar una muestra homogénea de lodo
activo. Dado que este ensayo depende de la concentración de sólidos del licor de
mezcla puede inducir a resultados engañosos. Por ejemplo si el volumen
sedimentado a los treinta minutos es de 1000 ml, esto puede reflejar dos
problemas:
1. Si la concentración del lodo es alta, por lo menos 10000 mg/l el problema
se puede encontrar en la compactación del lodo concentrado.
2. Si la concentración del lodo es baja, alrededor de 2000 mg/l representaría
un evento de bulking muy severo.
Así altos valores de volúmenes medidos a los treinta minutos pueden llevar a
interpretaciones engañosas.
Constantemente se han aplicado modificaciones a este ensayo para acortar el
periodo de refloculación y eliminado el efecto pared.
Inspección Visual: En una planta de tratamiento el tacto que se pueda tener
es importantísimo para advertir problemas en ellas. La observación frecuente del
lodo permite distinguir cambios en él. Para determinar una situación de bulking
visualmente se pueden advertir aglomeraciones flotando en el sedimentador o una
muy lenta sedimentación en una probeta con muchos sólidos en suspensión o con
una muestra al microscopio.
Índice Volumétrico de Lodos Agitado: (SSVI) Este ensayo consiste en un
cilindro estándar de 1 a 2 litros y un impulsor vertical en forma de anillo que rota
lentamente a una velocidad de 1 cm/s, alrededor de 4 rpm. El impulsor elimina el
efecto pared, rompe las interconexiones entre los flóculos y ayuda a la
compactación. Rachwal (1982) comparó ambos test a diferentes concentraciones.
Los resultados se pueden observar en la figura 2.7.
Rachwal afirmó que el test de índice volumétrico de lodos debería medirse según
el gráfico para concentraciones menores a 4 g/l. Si observamos la curva del
volumen sedimentado a los 30 minutos para el IVL se observa que el volumen
crece en forma proporcional al aumento de la concentración, sin embargo, para
valores superiores a 4 g/l el volumen sedimentado a los 30 minutos no varia
mayormente, induciendo a errores o confusiones al realizar este ensayo.
100
V30 min., %
V30 IVL
V30 SSVI
50
00 5 10
SSLM, g/l
Figura 2.7 Comparación entre IVL y SSVI (Fuente: Rachwal, 1982)
2.4.5.1.1 CLASIFICACION POR SEDIMENTABILIDAD
En la literatura de ingeniería de aguas residuales existe una amplia gamma de
parámetros y ensayos para clasificar los lodos de acuerdo a su sedimentabilidad.
Sin embargo, a pesar de la cantidad de métodos el índice volumétrico de lodos es
el más utilizado.
De acuerdo al IVL se clasifican los lodos como se muestra en la tabla Nº 3.
Tabla Nº 3, Clasificación de lodos según el índice volumétrico de lodos
Tipo de Lodo IVL (ml/g)
Buena sedimentación < 100
Ligera 100 – 200
Bulking > 200
Esta clasificación la entrega Wanner (1994). Generalmente se adopta esta
clasificación para clasificar los lodos de acuerdo al IVL. Pero en la práctica se
puede apreciar que un valor de lodo mayor a 150 ml/g de IVL ya tiene una muy
baja sedimentación y compactación en el sedimentador.
3 DESARROLLO EXPERIMENTAL: PROCESO DE LODOS ACTIVOS A ESCALA DE LABORATORIO
A través de la implementación de un sistema de tratamiento de lodos activos a
escala de laboratorio se pretende estudiar el comportamiento del sistema frente a
la sensibilización de parámetros de entrada a la planta en la aparición de bulking y
así analizar la influencia de las variaciones en la entrada y el efecto que provocan
en las características del efluente.
El sistema tendrá un régimen continuo, basado en alimentación diaria de agua
residual sintética, cuya principal fuente orgánica será la sacarosa, y el aporte de
nutrientes básicos para la actividad celular como el nitrógeno y el fósforo.
El desarrollo experimental consta de dos etapas: un período de marcha blanca,
donde se opera sólo el tanque de aireación, como un sistema SBR – sequencing
batch reactors - y otro con el sedimentador acoplado, es decir, como un sistema
tradicional de lodos activos.
3.1 Descripción de la planta a escala de laboratorio
El sistema de lodos activos a escala de laboratorio cuenta principalmente de un
tanque de aireación y un sedimentador secundario, además de otros dispositivos
que permiten el correcto funcionamiento del sistema, como:
Abe
rtur
as p
ara
vaci
ado
del l
icor
Tanque de Aireación
Corresponde a un cilindro de acrílico transparente, con una altura de 45 cm y un
diámetro interno de 20 cm. El tanque posee orificios laterales de salida a distintas
alturas, como se muestra en la figura 3.1, lo que permite elegir el volumen de
trabajo que se utilizará en la operación.
Figura 3.1 Tanque de aireación
Sedimentador Secundario
El sedimentador secundario corresponde a un cilindro acoplado a un cono,
fabricados en acrílico transparente, con altura total de 40 cm, y un diámetro interno
de 20 cm.
El sedimentador posee salidas laterales para el clarificado, ubicadas a distintas
alturas, además de poseer una abertura en el fondo que permitirá la recirculación
de lodos hacia el tanque de aireación o la purga del excedente producido, como se
muestra en la figura 3.2.
Ext
racc
ión
de lo
dos
Ab
ertu
ras
par
a e
l cl
arif
ica
do
Figura 3.2 Sedimentador secundario
Dispositivos anexos
Además del tanque de aireación y del sedimentador secundario son necesarios
otros dispositivos para implementar realmente el sistema.
Para lograr una correcta aireación-agitación del licor de mezcla en el tanque de
aireación, se usaron 4 bombas de aire, que a través de 8 difusores lograron la
homogeneización y aporte de oxígeno necesario para la degradación biológica.
Para lograr la recirculación desde el sedimentador secundario al tanque de
aireación se utilizó una bomba de membrana, - utilizada para recircular lodo en el
tratamiento de aguas residuales de pesqueras y para la mantención de calderas -
la cual permitía regular el caudal dentro de ciertos límites.
La conducción del licor de mezcla y del flujo de recirculación se realizó a través de
mangueras transparentes de goma y para el control de la operación fue necesario
la utilización de temporizadores, (ver figuras 3.3 y 3.4)
Figura 3.3 Esquema del sistema
Figura 3.4
a) Bomba RAS de membrana con caudal regulable b) Bombas de Aireación
3.2 OPERACIÓN DEL SISTEMA
Una vez que el sistema se encuentra implementado completamente, funciona
como una planta de tratamiento de aguas residuales convencional de lodos
activos. Para un mayor control del sistema se imponen condiciones en la
operación de la planta de modo de cumplir con lo programado.
Es necesario generar condiciones favorables para el crecimiento y aclimatación de
la colonia bacteriana para que puedan así cumplir con el proceso de depuración
de las aguas. Esto se logra con una adecuada alimentación y el suministro de
oxígeno al reactor.
La aclimatación de la colonia bacteriana se logra con un período de marcha
blanca, donde la planta funciona como un reactor secuencial discontinuo, luego se
acoplara el resto de los componentes de la planta.
3.2.1 REACTOR SECUENCIAL DISCONTÍNUO (SBR)
Durante aproximadamente 60 días el sistema operó bajo el modo operacional
SBR, con el propósito de provocar un crecimiento y aclimatación de la biomasa a
las nuevas condiciones de operación. La biomasa fue extraída del proceso de
recirculación de la planta de tratamiento de aguas residuales Bío Bío, ESSBIO
Concepción.
El proceso SBR es una variación del proceso de lodos activos, la principal
diferencia es que todo el proceso de depuración se realiza dentro del mismo
tanque de aireación.
Los reactores de carga secuencial (SBR) son operados en ciclos (sequencing).
Cada ciclo consiste en un número de pasos que deben ocurrir en periodos de
tiempo determinados. Las principales etapas de este modo de operación son los
siguientes:
1) Llenado: El agua residual es impulsada dentro del reactor. El período de
llenado puede ser estático, mezclado (el lodo activo sedimentado es mezclado
bajo condiciones anóxicas con el influente) o siempre aireado. El agua residual
comienza a reaccionar con la masa bacteriana.
2) Aireación: Al licor de mezcla se le suministra aire a través de bombas
impulsoras y difusores, logrando así la oxigenación requerida para la actividad
celular y la mezcla para una correcta homogeneización del sistema.
3) Sedimentación: Se deja de suministrar aire al reactor y esto produce un
estado de reposo que permite la sedimentación de los flóculos. En esta etapa se
visualiza claramente el clarificado y el manto de fangos.
4) Vaciado: se procede a extraer el clarificado hasta la profundidad
conveniente, tratando de evitar turbulencia en el manto y lograr un efluente libre de
sólidos y de la mejor calidad posible.
Durante el período de marcha blanca, los períodos de llenado, aireación,
sedimentación, vaciado, fueron variando constantemente con el fin de
proporcionar condiciones favorables al crecimiento bacteriano y así cumplir con el
principal objetivo de la marcha blanca, crecimiento y aclimatación.
Regularmente se realizaron ensayos de sólidos suspendidos, sedimentabilidad
(IVL), pH, temperatura, con el fin de llevar un control minucioso de la evolución del
sistema.
3.2.2 ALIMENTACIÓN DEL SISTEMA
La alimentación del sistema tanto en la marcha blanca como en el período normal
de funcionamiento se realizó con agua residual sintética en base a sacarosa
(C12H22O11) que aporta el carbono necesario para la cinética de los
microorganismos y que ha sido utilizada en investigaciones anteriores
(Chavarría,2003 ; Mardones, 2004).
Además es indispensable la adición de nutrientes, ya que éstos son claves para el
metabolismo celular, para la producción de energía y síntesis de proteínas. En
esta experiencia se utilizó sólo el nitrógeno y fósforo como únicos nutrientes, aún
cuando son necesarios otros nutrientes como el fierro, calcio, potasio manganeso,
molibdeno, zinc, cobre, sodio para la remoción de la DBO.
Es válido hacer esta simplificación ya que el nitrógeno y el fósforo son críticos,
debido a que son requeridos en mayor proporción que los otros elementos.
En estudios anteriores se ha concluido la DBO requerida para la degradación de la
sacarosa. (Henze, 1995)
1 gr
C H O ⇒ 1300
mg DBO ⇒ 1500
mg DQO
l 12 22 11
l l
La proporción utilizada entre la materia orgánica contenida por el agua residual
sintética y los nutrientes contenidos es la que ha demostrado ser la más eficiente
en cuanto a la remoción de DBO para agua residuales urbanas (Ammary, 2004)
DBO : N : P = 100 : 5 : 1
Esta relación se utilizó en el período de marcha blanca y en la primera parte de la
experiencia, ya que uno de los objetivos de la presente memoria es variar esta
relación para ver los efectos sobre el efluente y la sedimentabilidad del lodo.
El aporte de nitrógeno y fósforo se realizó a través de compuestos que
demostraron en experiencias anteriores tener buenos resultados como aporte de
nutrientes (Mardones, 2004).
El nitrógeno fue proporcionado por el Cloruro de Amonio NH4Cl , mientras la
contribución de fósforo por el Tripolifosfato de sodio Na5P3O10 .
Por una parte el peso molecular del cloruro de amonio es de 53,492 mientras que
el del tripolifosfato de sodio es de 367,86.
Así, con lo anterior podemos obtener la cantidad de nitrógeno y fósforo contenida
en el Cloruro de Amonio y en el Tripolifosfato de sodio respectivamente.
1 gr C12H22O11 → 1,3 g DBO
1 gr NH4Cl → 0,2619 g N
1 gr Na5P
3O
10
→ 0,2525 g P
En consecuencia se puede obtener una relación que permita conocer las
cantidades requeridas de Cloruro de Amonio y Tripolifosfato de Sodio para una
relación DBO:N:P y una DBO conocida.
X gr C12
H22
O11
=DBO
1300
X gr NH4Cl =N*DBO
26190
X gr Na5P
3O
10 =
P*DBO
25250
En consecuencia, la variación de la relación DBO:N:P del agua residual sintética
se obtiene con estas relaciones. Se aprecia de fácil manera la simplicidad y
flexibilidad con que se puede variar la relación DBO:N:P en la tabla 4.
El efluente evolucionó de manera creciente a lo largo de la experiencia, durante
las primeras horas los valores de sólidos eran bajos por la quietud de la planta a
pesar que el manto de sólidos en el sedimentador era alto, pero éstos se iban
incrementando a lo largo de las horas.
4.3 EVOLUCION DE LA CALIDAD DEL EFLUENTE
4.3.1 Evolución bajo condiciones normales
Como se ha mencionado anteriormente, son dos los elementos considerados
como nutrientes, el nitrógeno y el fósforo. El nitrógeno como se explicó
anteriormente es asimilado en forma de nitratos o amoniaco por las bacterias y es
indispensable para las células ya que sirve para la síntesis de proteínas y el
fósforo es asimilado en forma de fosfatos y es fundamental para la síntesis celular.
La primera evaluación que se realizó fue observar el comportamiento bajo una
relación de nutrientes normal, DBO:N:P=100:5:1. Esta es la relación donde se
consiguen los mayores rendimientos en la remoción de materia orgánica.
La carga orgánica utilizada corresponde a una carga media, con una DBO de
entrada media de 220 mg/l y la dosificación para esta DBO es la siguiente:
Para una DBO de 220 mg/l se tiene
0,169 g/l de C12H22O11
0,042 g/l de NH4Cl
0,008 g/l de Na5P3O10
SS
E (
mg
/l)
En la figura 4.6 se muestra la evolución de los sólidos suspendidos del efluente
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 2 4 6 8
Tiempo (horas) 1 2 3
Figura 4.06, Evolución del efluente, 100:5:1
En el gráfico se observa que la calidad del efluente fue disminuyendo a lo largo de
las horas. En otras palabras, los sólidos suspendidos fueron aumentando
conforme las horas.
En el gráfico se observa que los sólidos del efluente no sobrepasaron los 100 mg/l,
no obstante no cumplieron los estándares de calidad del efluente.
Ahora bien, los bajos valores de sólidos suspendidos del efluente durante la
primera hora de operación se debieron a la partida de la planta a escala de lodos
activos, luego, durante las 8 horas de medición los valores evolucionaron de
manera creciente.
En la figura 4.7 se observan fotografías de la planta durante la operación bajo este
régimen de nutrientes (100:5:1).
Figura 4.7, Planta operando bajo 100:5:1
Se observa en la figura claramente la separación de la biomasa del clarificado,
vale decir, se advierte de fácil manera los lodos acumulados en el fondo del
sedimentador en la parte cónica.
Figura 4.8, Sedimentador secundario
Se observa en la figura manchas en el sedimentador correspondientes a colonias
de microorganismos adheridos a la pared del sedimentador. Estas manchas no
superaban un milímetro de diámetro. Sin embargo no fueron determinantes en la
calidad del efluente. No obstante, se aprecia claramente la diferencia entre el agua
clarificada y el lodo sedimentado.
4.3.2 Deficiencia de Nitrógeno
Como primer paso se utilizó la relación universalmente aceptada como la de
mejor resultados en la biodegradación de la materia orgánica de las aguas
residuales, la relación 100:5:1. Para partir con la variación de nutrientes se eligió
el nitrógeno arbitrariamente, pensando en la proporción en que está contenida en
la relación DBO:N:P. En esta relación se disminuyó el nitrógeno a la mitad, es
decir se trabajo con la relación DBO:N:P=100:2,5:1.
La carga orgánica se mantuvo durante esta modalidad en 220 mg/l de DBO.
La evolución de los sólidos se muestra en el gráfico 4.09. Durante los días de
operación bajo este modo se aprecia que los sólidos en el efluente evolucionaron
de manera creciente, llegando a un máximo de 210 mg/l.
Los sólidos del efluente fueron aumentando en su valor a medida que avanzaban
los días de estudio y siguiendo la tendencia al crecimiento durante las horas como
sucedió en la primera modalidad (100:5:1)
4 5 67 8 9
SS
E (
mg
/l)
250
200
150
100
50
0
0 2 4 6 8
Tiempo (horas)
Figura 4.09, Evolución del efluente, 100:2,5:1
Como se mencionó anteriormente los sólidos en el efluente al comienzo de la
jornada de mediciones fueron bajos; iguales o mayores a los obtenidos bajo la
relación 100:5:1.
Se mantiene bajos valores al tiempo inicial para casi todos los días de estudio; ya
más adelante se incrementaron estos valores, partiendo de valores superiores a
150 mg/l para los últimos días de medición bajo esta modalidad.
Si consideramos las primeras horas de funcionamiento como una puesta a punto
de la planta y nos centramos en los resultados posteriores a estas horas
observamos que los sólidos suspendidos del efluente varían desde los
alrededores de 150 mg/l hasta valores levemente superiores a 200 mg/l.
En las siguientes fotografías se muestra la evolución en la calidad de la
sedimentación cuando se disminuyó la masa de nitrógeno contenida en el agua
residual sintética (ver figura 4.10).
Figura 4.10, Evolución de la calidad del efluente bajo 100:2.5:1
Se aprecia en la figura claramente la disminución en la calidad del efluente, se
observa la proliferación de lodo abultado en las paredes del sedimentador, cuyo
tamaño fue creciente en el tiempo. La figura ilustra la evolución de tres días bajo
la deficiencia de nitrógeno en el afluente.
Se observa en la figura 4.11 la red formada por flóculos de baja sedimentabilidad
que quedan suspendidos en el clarificado. Se puede suponer que estos flóculos
tienen una estructura difusa, similar a la mostrada en la figura 2.7.
El tamaño de una red de flóculos alcanza uno o dos centímetros de longitud.
1.8 cm.
Figura 4.11, Estructura del lodo abultado
4.3.3 Deficiencia de Fósforo
Siguiendo con la variación de los nutrientes, se procedió a disminuir el fósforo.
Este compuesto que tiene vital importancia para la síntesis celular se debiera
encontrar en un 1% respecto a la DBO.
Es decir, se disminuyó la cantidad de fósforo libre en el agua residual sintética a la
mitad y se procedió a estabilizar la cantidad de nitrógeno presente en el agua, es
decir se trabajó con la relación 100:5:0.5.
SS
E (
mg
/l)
La evolución de los sólidos suspendidos en el efluente se muestra en la figura
4.12.
Se puede observar en el gráfico que los sólidos en el efluente siguieron
aumentando en el tiempo, tanto en las horas como en los días.
Ahora bien, los sólidos en el comienzo de la etapa de medición fueron más altos
que en las otras variaciones, debido a que los flóculos quedan suspendidos en el
sedimentador, a pesar de la condición de partida del sistema.
260
240
220
200
180
160
140
120
100
0 2 4 6 8
Tiempo (horas) 10 11 1213 14 15
Figura 4.12, Evolución del efluente, 100:5:0,5
Se observa además que a la octava hora de medición los sólidos suspendidos
superaron los 200 mg/l, dentro de un rango de 190-250 mg/l.
Se muestra en las siguientes fotografías la evolución del efluente bajo este
régimen de deficiencia de fósforo.
Figura 4.13, Evolución de la calidad del efluente bajo 100:5:0.5
Se observa en la figura 4.13 la evolución del lodo abultado o bulking en el
sedimentador secundario. Se aprecia claramente el aumento de tamaño del lodo
abultado en el sedimentador. Estas aglomeraciones de lodo eran de gran
consistencia y estabilidad. Se encontraban en suspensión y sólo mediante
estímulos físicos se podía alterar su reposo.
En la figura 4.14 se observa que el tamaño de las aglomeraciones alcanzaba
alrededor de un centímetro. Estas acumulaciones de lodo se tornaron más
compactas y estables a simple vista y crecieron en torno a todo el sedimentador.
8 mm.
Figura 4.14, Lodo abultado
Las aglomeraciones de lodo tendieron a separarse. Es decir, no se apreciaba
claramente la estructura difusa de los flóculos abultados. Esto es, si bien los
aglutinamientos de lodo presentan una estructura difusa propia del bulking por
falta de nutrientes, todo el lodo abultado y que permanece en suspensión en el
sedimentador secundario perdió esa característica de estructura difusa.
4.3.4 Deficiencia de Nitrógeno y Fósforo
Posterior a los ensayos bajo las deficiencias de nitrógeno y fósforo, es interesante
averiguar qué impacto tiene sobre el efluente la deficiencia de ambos nutrientes,
tanto el nitrógeno como el fósforo. Se disminuyeron en un 50% ambos nutrientes
a partir de la relación de estabilidad (100:5:1), es decir, se estudió la planta con
una relación de nutrientes 100:2,5:0,5.
SS
E (
mg
/l)
La carga orgánica se mantuvo, y la DBO de entrada siguió siendo de 220 mg/l.
Se observa en el gráfico 4.15 la evolución de la calidad del efluente bajo este
modo de operación de deficiencia de nutrientes.
350
300
250
200
150
100
50
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Tiempo (horas) 16 17 18 1920 21 22
Figura 4.15, Evolución del efluente bajo 100:2,5:0,5
Se aprecia en el gráfico que durante las primeras horas los sólidos del efluente
fueron similares a los obtenidos en las otras variaciones de nutrientes; se
mantuvieron en un rango de 100-180 mg/l. Si bien son mayores a las otras
partidas de la planta son efectos claros de bulking.
El desarrollo de estos valores fue absolutamente creciente y se aprecia el fuerte
impacto que tiene la carencia de estos nutrientes. La justificación del fuerte
desmedro de las condiciones de salida de la planta es la excesiva producción de
polímeros como respuesta ante la escasez de nutrientes para la biomasa.
Se observa además que a la octava hora de medición los sólidos del efluente se
mantuvieron en un rango levemente superior a 230 mg/l e inferior a 330 mg/l.
En la figura 4.16 se ilustra la evolución en el sedimentador secundario ante el
estímulo de nutriente limitante.
Figura 4.16, Evolución de la sedimentación secundaria
Se observa el aumento progresivo de las aglomeraciones de lodo en el
sedimentador secundario y por lo tanto la disminución de la calidad del clarificado.
Las fotografías fueron tomadas a contraluz con una fuente de luz artificial tras el
sedimentador de modo de resaltar el bulking.
Las tres fotografías representan el desarrollo de bulking en 3 días bajo la
deficiencia de ambos nutrientes.
El tamaño de los aglomeraciones de lodos alcanzaron más de dos centímetros de
longitud y se encontraron totalmente en suspensión, no como una red como se
manifestó en la deficiencia de nitrógeno, sino como aglomeraciones de gran
tamaño, individuales y de muy baja sedimentabilidad.
En la figura 4.17 se aprecia el tamaño de una aglomeración de lodo en
suspensión. También se observa claramente la deficiente separación del
clarificado debido a la carencia de nutrientes.
8 mm.
Figura 4.17, Lodo abultado.
4.3.5 Relaciones entre modalidades de operación
La evolución de la calidad del efluente para cada variación de nutrientes se
observa en los gráficos 4.18 y 4.19.
El gráfico 4.18 está formado por la evolución a lo largo de las horas de medición
del último día de cada variación de nutrientes con el objetivo de mostrar el efecto
real sobre el efluente y poder comparar entre cada deficiencia de nutrientes,
mientras que el gráfico 4.19 está formado por la unión de estos gráficos por
SS
E (
mg
/l
separado a lo largo de todo el tiempo que se realizó el experimento para poder
visualizar la evolución en el tiempo.
Si observamos el gráfico 4.18 apreciamos que deficiencias tanto de fósforo como
de nitrógeno producen una disminución sustancial de la calidad del efluente,
alcanzando valores que llegan hasta 250 mg/l. Si bien estas diferencias por si
solas afectan de gran manera al efluente, no lo afectan tanto como cuando la
deficiencia es de nitrógeno y fósforo a la vez, ya que en este caso lo sólidos del
efluente alcanzan valores superiores a 300 mg/l debido a la escasa
sedimentabilidad producida por estas deficiencias.
350
300
250
200
150
100
50
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Tiempo (horas) "100:5:1" "100:2.5:1" "100:5:0.5" "100:2.5:0.5"
Figura 4.18, Evolución de la calidad del efluente ante variaciones de nutrientes
SS
E (
mg
/l)
Ahora si se observa el gráfico 4.19 se aprecia que los sólidos del efluente van
aumentando progresivamente en el tiempo, teniendo una mayor influencia la
deficiencia de fósforo ante la del nitrógeno, ya que ante la deficiencia de fósforo se
producen mayores sólidos en el efluente.
350
300
250
200
150
100
50
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Tiempo (días)
Figura 4.19, Evolución de la calidad del efluente en el tiempo
4.4 EVOLUCIÓN DE LA CALIDAD DE LA RECIRCULACIÓN
La recirculación es otra parte del sistema de lodos activos que se ve muy afectada
por la aparición del bulking. La forma en que se ve afectada por el bulking es en la
variación en períodos de tiempo muy cortos de la concentración de los sólidos
suspendidos de recirculación. El problema radica principalmente en que bajos
valores de concentración de la recirculación generan grandes problemas para
mantener la concentración de sólidos suspendidos de licor de mezcla. Si es que
esta concentración se puede mantener se deberá aumentar tanto como sea
posible el caudal de recirculación para mantener los SSLM y muchas veces
sencillamente no se podrá. Si bastara tan sólo con aumentar el caudal de
recirculación aumentarían los costos de operación, por el bombeo extra que se
haría necesario. De todas formas, bajas concentraciones de recirculación causan
tantos problemas como los sólidos suspendidos en el efluente.
4.4.1 Recirculación en condiciones normales
De la misma forma que se estudió anteriormente la calidad del efluente se
estudiará la calidad de la recirculación.
Cuando la planta operó bajo la relación de nutrientes 100:5:1 los sólidos
suspendidos de recirculación evolucionaron de manera decreciente al pasar de las
horas, lo cual era de esperar debido a la necesidad de mantener lo más constante
los sólidos suspendidos del licor de mezcla.
SS
R (
mg
/l)
Se aprecia en el gráfico 4.20 como evolucionaron los sólidos de recirculación
durante las ocho horas de operación bajo una relación normal de nutrientes,
100:5:1 a lo largo de los tres días de duración de este modo.
120001100010000
900080007000600050004000300020001000
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Tiempo (horas)1 2 3
Figura 4.20, Evolución de los SSR bajo 100:5:1
Se observa en el tiempo inicial que los sólidos suspendidos de recirculación eran
altos debido al estado de reposo en que estaba el sedimentador durante el resto
de día donde no se tomaban muestras. Mientras avanzaban las horas, estos
decrecían pero se mantenían al cabo de ocho horas entre 3500 y 6000 mg/l.
En la figura 4.21 se muestra el conducto por el cual se recirculaba el lodo al
tanque de aireación. Se puede apreciar que todo el lodo conducido posee una
concentración uniforme, es decir no se observan variaciones de color a lo largo del
conducto que haga pensar en posibles variaciones de concentración.
Figura 4.21, Conducto de recirculación
4.4.2 Recirculación con deficiencia de nitrógeno
Posterior al muestreo bajo la relación 100:5:1, como ya se ha mencionado
anteriormente, se disminuyó en un 50% la cantidad de nitrógeno en el agua
residual sintética. Es decir bajo la relación 100:2,5:1.
El efecto sobre la recirculación de un afluente con ésta relación se aprecia en el
gráfico 4.22. Se puede observar que en la primeras horas de funcionamiento bajo
esta relación los sólidos suspendidos de recirculación se mantuvieron altos,
debido a la compactación por el largo tiempo que se mantuvo sin operar el
sedimentador.
A medida que avanzan las horas se aprecia una disminución sostenida de los
sólidos en la recirculación, llegando a valores piso a partir de la cuarta hora de
operación.
SS
R (
mg
/l)
En consecuencia, los bajos valores de sólidos suspendidos en la recirculación
obligaban a aumentar en gran medida los caudales de recirculación, provocando
desbalances de masas en el tanque de aireación que llevaban en ciertas
ocasiones a colapsar la planta en cuanto a su capacidad.
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Tiempo (horas) 4 5 67 8 9
Figura 4.22, Sólidos de recirculación, bajo 100:2.5:1
En la figura 4.23 se presentan dos fotografías que fueron tomadas a la segunda
hora de operación en no más de cinco segundos de diferencia y que ilustran la
parte inferior del sedimentador secundario.
En la parte cónica del sedimentador se puede apreciar por el color oscuro que
tiene una alta concentración de lodo. Las fotografías fueron tomadas mientras se
estaba recirculando hacia el tanque de aireación.
Se observa claramente la diferencia de color en el conducto de recirculación. En la
primera, se aprecia un color irregular, esto es, que la manguera transparente
conduce lodo pero no demasiado concentrado, entre 2000-3000 mg/l. En la
segunda fotografía se observa el conducto de recirculación transparente, mejor
dicho, la recirculación de ese momento es extremadamente baja, de
concentraciones que bordean los 400 mg/l, algo inaceptable para la función de la
recirculación.
Figura 4.23, Mala recirculación
4.3.2 Recirculación con deficiencia de fósforo
La evolución de la recirculación al disminuir la cantidad de fósforo a la mitad del
agua residual es mostrada en la figura 4.24.
Los valores en el tiempo inicial de sólidos de recirculación se mantuvieron altos,
con valores típicos a un sistema de lodos activos. Sin embargo ha sido frecuente
la caída de estos valores en pocas horas, cayendo a rangos entre 450 a 1600
mg/l, lo cual es demasiado bajo para la recirculación.
SS
R (
mg
/l)
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0 2 4 6 8
Tiempo (horas) 10 11 1213 14 15
Figura 4.24, Sólidos de recirculación, bajo 100:5:0.5
En la figura 4.25 se muestran tres fotografías del conducto de recirculación
tomadas en intervalos menores a 10 segundos entre cada fotografía.
Se aprecia claramente la diferencia en la concentración de lodo en la recirculación,
provocada por la flotación del lodo en el sedimentador secundario. Si bien se
aprecia gran cantidad de lodo en el fondo del sedimentador, éste se encuentra
poco compactado, provocando grandes problemas en el intento de mantener los
sólidos suspendidos del licor de mezcla.
Figura 4.25. Conducto de recirculación.
4.3.3 Recirculación con deficiencia de nitrógeno y fósforo
Por último ante las variaciones en un 50% de nitrógeno y fósforo la recirculación
se comportó de la misma forma que ante las variaciones de nitrógeno y fósforo por
sí solos. La evolución de los sólidos de recirculación se muestra en la figura 4.26.
Durante las primeras horas de operación la concentración de lodos de
recirculación se mantuvo en un rango de 4000-5000 mg/l.
Las concentraciones de la recirculación se tornaron inestables. Por ejemplo, en la
primera serie al cabo de dos horas la concentración era de 4460 mg/l, en cambio
en la segunda serie a las mismas dos horas la concentración había caído
sustancialmente, alcanzando 1325 mg/l.
Al término de cada jornada con esta relación de nutrientes la recirculación cayó
fuertemente, terminando el día de medición con valores menores a 1000 mg/l, lo
SS
R (
mg
/l)
que se traducía en una flotación del lodo en el sedimentador como efecto del
bulking generado por la condición de nutriente limitante.
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Tiempo (horas) 16 17 18 19
20 21 22
Figura 4.26, Sólidos de recirculación bajo 100:2.5:0.5
En la figura 4.27 se aprecia el conducto inferior del sedimentador secundario y a la
derecha se observa una probeta que contiene lodo de recirculación. Se concluye
claramente que la probeta posee una concentración muy baja de lodo de
recirculación como efecto de bulking
Figura 4.27, Muestra de recirculación
SS
R (
mg
/l)
4.3.4 Relaciones entre modalidades de operación
Si graficamos los valores de los sólidos suspendidos de recirculación durante el
período de medición ocho de horas, del último día de cada variación de nutrientes
se genera el gráfico 4.28.
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Tiempo (horas) "100:5:1" "100:2.5:1" "100:5:0.5" "100:2.5:0.5"
Figura 4.28, Relaciones entre la recirculación y las variaciones de nutrientes
En este gráfico se observa que para todas las relaciones, a excepción de la
relación de estabilidad 100:5:1, los sólidos de recirculación caen fuertemente en
unas horas y se mantienen a muy bajas concentraciones (menos de 1000 mg/l)
como efecto de las deficiencias de nutrientes, provocando un gran problema para
mantener la concentración del tanque de aireación.
4.5 INCIDENCIA SOBRE LA SEDIMENTABILIDAD DE LODOS
Además de estudiar la calidad del efluente y la recirculación es necesario estudiar
el efecto que produce esta variación de los nutrientes en la sedimentabilidad de
los lodos. Esto se realiza a través del índice volumétrico de lodos explicado
anteriormente y ante curvas de sedimentación (figura 2.6)
4.5.1 Curva de sedimentación
En la figura 2.6 ya se ilustró el tipo de curva que se genera al analizar la
sedimentación de los lodos. Esta curva se obtiene al medir el descenso del manto
de lodos en función del tiempo.
Durante las variaciones de nutrientes se midieron curvas de sedimentación en una
probeta de 100 ml y se graficaron contra el tiempo. La figura 4.29 muestra la
evolución de la sedimentación a lo largo del experimento.
La curva formada en este ensayo debería mostrar los tipos de sedimentación
producidos (discreta, floculenta, retardada o zonal y por compresión).
La figura 4.29 no debería faltar a la regla. Se deben apreciar los tipos de
sedimentación discreta y floculenta, retarda y por compresión.
Si observamos todas las curvas obtenidas indistintamente, para cualquier
concentración de nutrientes podemos observar claramente dos tipos de
Alt
ura
(cm
)sedimentación, la floculenta y la retardada o zonal. Estos dos tipos de
sedimentación siguen un patrón, a excepción del día 4 y 5, que corresponde a los
dos primeros días de la experiencia bajo una deficiencia de nitrógeno. Estas dos
curvas no siguen la regla por tener un valor muy bajo de sólidos suspendidos de
licor de mezcla (1390 – 1090 mg/l) y en ellos sólo se aprecia una sedimentación
discreta y floculenta y por compresión.
En las otras curvas se puede ajustar una recta en dos partes claramente. La recta
A que representa la sedimentación discreta y floculenta y la recta B que
representa la sedimentación retardada o zonal.
La zona de compresión es más bien difusa, varía a lo largo del tiempo,
influenciado claramente por el bulking.
18.0
A16.0
14.0
12.0
B10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
0 5 10 15 20 25 30 35
Tiempo (minutos) 1 4 5 9 1215 18 21 22
Figura 4.29, Curvas de sedimentabilidad para diferentes días de operación
Si comparamos el día 1 correspondiente a un agua residual con una relación
100:5:1 con el día 15 correspondiente a un agua residual con una relación de
nutrientes de100:5:0.5, es decir, ya se operó con deficiencia de nitrógeno y ahora
terminando con la deficiencia de fósforo, se observa que la zona de compresión se
trasladó.
El día 1 tiene una concentración de SSLM de 2970 mg/l mientras que el día 15
una concentración de 2290 mg/l, lo que no se traduce en una mayor altura de lodo
para el día 1 a pesar de poseer una mayor concentración, todo esto por efecto del
bulking.
Se observa además que las curvas son influenciadas también por la concentración
del lodo, ya que un lodo con mayor concentración se verá reflejado en una mayor
altura en la probeta. De la misma forma un lodo con bulking no tan severo se verá
reflejado de la misma forma, a mayor concentración mayor altura.
4.5.2 Índice volumétrico de lodos
Otro parámetro que representa la sedimentabilidad de los lodos es el IVL. La
evolución de este parámetro se muestra en el gráfico 4.30.
Se observa en el gráfico que el índice volumétrico de lodos fue creciente en el
tiempo.
IVL
(m
l/g
)
Durante los tres primeros días donde se trabajó bajo una relación de nutrientes
normal 100:5:1, el IVL presentó buenos valores de sedimentación, menores a 100
ml/g.
Cuando se varió la relación de nutrientes a 100:2.5:1, es decir se disminuyó el
nitrógeno a la mitad, el IVL aumentó lentamente desde 87 ml/g hasta 116 ml/g
desde el cuarto al noveno día. Posterior a esto, bajo la relación de nutrientes
100:5:0.5, o sea una deficiencia de fósforo, el IVL se siguió acrecentando, desde
116 ml/g hasta 133 ml/g.
Cuando se disminuyeron los dos nutrientes en un 50%, o sea con una relación de
nutrientes 100:2.5:0.5 el IVL alcanzó un máximo de 154 ml/g, que es un nivel de
sedimentación muy malo.
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Tiempo (días)
Figura 4.30, Evolución de la sedimentabilidad
SS
E (
mg
/l)
4.5.3 Relación entre el IVL y la calidad del efluente
Si relacionamos la sedimentabilidad del lodo con la calidad del efluente a través de
un gráfico como la figura 4.31, se observa que a medida que aumenta el índice
volumétrico de lodos disminuye la calidad del efluente.
Esta disminución de la sedimentabilidad es atribuida totalmente al desbalance de
nutrientes en el afluente provocando un exceso de polímeros producido por los
microorganismos en respuesta a esta carencia.
350
300
250
200
150 y = 1.983x - 28.237
R2
= 0.8692
100
50
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
IVL (ml/g)
Figura 4.28, Relación entre la sedimentabilidad del lodo y la calidad del efluente
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En base a los resultados obtenidos en la planta a escala de laboratorio y la
literatura estudiada se generan las conclusiones y recomendaciones.
Se verifica que la relación de nutrientes DBO:N:P=100:5:1 mantiene estable el
sistema en cuanto a la calidad del efluente y operación de la planta; y una
variación en esta proporción afecta de manera sustancial la calidad de éste.
Se visualizó que el disminuir en cualquier proporción los nutrientes (N y P)
generan un aumento en los sólidos suspendidos del efluente y una disminución
de la concentración de los sólidos suspendidos de recirculación.
Se apreció que una disminución de fósforo en la relación DBO:N:P produce un
mayor impacto ante una disminución en la misma proporción de nitrógeno.
Se comprobó que el disminuir ambos nutrientes genera un mayor impacto que
el disminuir uno por si solo.
Se comprobó que el abultamiento del lodo generado por la falta de nutrientes
produce un desplazamiento de la zona de compactación en la curva de
sedimentación, traducido en una menor velocidad de sedimentación.
Se verificó que el aumento del índice volumétrico de lodos esta directamente
relacionado con la calidad del efluente por el aumento de los sólidos
suspendidos en el efluente.
• Se observa la aparición de bulking viscoso generado por la deficiencia de nutrientes en el sedimentador secundario. Sin embargo, se concluye que la
aparición de bulking se manifiesta para valores del índice volumétrico de lodos
menores a 200 ml/g.
• Se recomienda a los operadores de plantas de lodos activos realizar test de presencia de nutrientes periódicamente, por lo menos una vez cada tres días,
ya que durante este período puede proliferar bulking viscoso como se
comprobó en la planta a escala de laboratorio.
6 BIBLIOGRAFÍA
1. AMMARY, B. 2004. Nutrients requirements in biological industrial
wastewater treatment. African journal of biotechnology 3(4):236-238
2. CHAVARRÍA, C. 2003. Estudio de tratabilidad de lixiviados de rellenos
sanitarios aplicando un tratamiento biológico. Memoria de Ingeniería Civil.
Concepción, Universidad del Bío Bío, Facultad de Ingeniería.
3. CHILE. Instituto Nacional de Normalización. 1995. Norma chilena oficial
NCh 2313: Determinación de sólidos suspendidos totales secados.
4. CISTERNA, P. 2003. Ingeniería y tratamiento de aguas residuales. Apunte
de clases. Concepción, Universidad del Bío Bío, Facultad de Ingeniería.
5. LEEUWEN, J. 1989. Ozonation for Non-Filamentous Bulking Control in
activated sludge plant. Water SA, 15(2):127-132.
6. MARDONES, R. 2004. Comportamiento empírico de la recirculación de
lodos en la operación de sedimentadores secundarios en un proceso de fangos
activos. Memoria de Ingeniería Civil. Concepción, Universidad del Bío Bío,
Facultad de Ingeniería. 127p.
7. METCALF y EDDY, 1995. Ingeniería Sanitaria: Tratamiento, evacuación y
reutilización de aguas residuales, Editorial McGraw-Hill.
8. RACHWAL, A.J., D. W. M. Johnstone. 1982. The application of settleability
tests for the control of activated sludge plants in bulking of activated sludge, UK,
Ellis Horwood Limited, 224-242p
9. RITTMAN, B y Mc CARTY, P. Biotecnología del medio ambiente: principios
y aplicaciones. McGraw Hill
10. WANNER, J. 1994. Activated sludge bulking and foaming control.
Pennsylvania, Technomic. 325p.
11. WINKLER, M. 1987. Tratamiento de aguas de desecho. Editorial Limusa
A N E X O STablas de resultados
Tabla 1, Evolución de parámetros durante la marcha blancamg/L g g mg/L mL/100mL L/día L