LAGUNAS

Las lagunas aireadas (a veces denominadas «estanques aireados»), se desarrollaron a partir de estanques de estabilización facultativos en los que se instalaron aireadores de superficie para eliminar los olores que se producían al estar sometidas a sobrecargas orgánicas.

Descripción del proceso. El proceso del lagunaje aireado es esencialmente el mismo que el de fangos activados de aireación prolongada convencional (THETAc = 20 días), excepto que se usa como reactor un depósito excavado en el terreno. El oxígeno necesario en el proceso se suministra mediante difusores o aireadores superficiales. En una laguna aerobia, la totalidad de los sólidos se mantienen en suspensión. Para conseguir los niveles de tratamiento secundario que especifica la U.S. Environmental Protection Agency, en la actualidad, se utilizan muchas lagunas aireadas complementadas con instalaciones de sedimentación e incorporando recirculación de sólidos biológicos.

Microbiología del proceso. Dado que el proceso de lagunaje aireado es, esencialmente, el mismo que el de fangos activados, la microbiología es también similar. Existen algunas diferencias, puesto que la gran superficie asociada a las lagunas aireadas puede dar lugar a efectos térmicos más señalados de lo que es normal en el proceso convencional de fangos activados. En los sistemas de lagunas aireadas es posible llevar a cabo el proceso de nitrificación, tanto de forma estacional como en continuo. El grado de nitrificación depende del diseño y de las condiciones de funcionamiento del sistema, así como de la temperatura del agua residual. Generalmente, cuanto más alta sea la temperatura de ésta y cuanto menores las cargas (aumento del tiempo de retención del fango), mayor será el grado de nitrificación alcanzable.

REACTOR DISCONTINUO SECUENCIAL

Un reactor discontinuo secuencial (SBR) es un sistema de tratamiento de fangos activados cuyo funcionamiento se basa en la secuencia de ciclos de llenado y vaciado. Los procesos unitarios que intervienen son idénticos a los de un proceso convencional de fangos activados. En ambos sistemas intervienen la aireación y la sedimentación-clarificación. No obstante, existe entre ambos una importante diferencia. En las plantas convencionales, los procesos se llevan a cabo simultáneamente en tanques separados, mientras que en los SBR, los procesos tienen lugar secuencialmente en el mismo tanque.

Descripción del proceso. Tal como se emplean hoy en día, todos los sistemas de SBR tienen en común cinco etapas, que tienen lugar de forma secuencial: (1) llenado; (2) reacción (aireación); (3) sedimentación (clarificación); (4) extracción (vaciado por decantación), y (5) fase inactiva. Para alcanzar objetivos de tratamiento específicos, se han introducido numerosas modificaciones del proceso variando los tiempos asociados a cada uno de los diferentes pasos.

La purga del fango es otro paso importante en el funcionamiento de los SBR que afecta, de manera importante, a su rendimiento. No se incluye como una de las cinco etapas básicas del proceso, puesto que no existe un momento determinado dedicado a la eliminación del fango dentro del ciclo de funcionamiento. La cantidad de fango que hay que purgar y la frecuencia con que se debe efectuar la purga se determinan según las necesidades dictadas por los rendimientos, como ocurre con el sistema de flujo continuo convencional. En el funcionamiento de los SBR, la purga del fango suele realizarse en la fase de sedimentación o en la de inactividad. Una característica única de los SBR es que no es necesario disponer de un retorno de fangos activados (RFA). Debido a que tanto la aireación como la decantación tienen lugar en el mismo tanque, no se pierde cantidad de fango alguna en la fase de reacción, y no es necesario recircular parte del fango de la sedimentación para mantener constante el nivel de fangos en la cuba de aireación. Algunas modificaciones incorporadas al proceso de SBR contemplan la posibilidad de modos de operación a caudal continuo.

Aplicación del proceso. A primeros de los años sesenta, con el desarrollo de nuevos equipos y nuevas tecnologías, renació el interés por los sistemas de llenado-vaciado. Las mejoras en los dispositivos de aireación y de control han permitido el desarrollo de este tipo sistemas hasta alcanzar el nivel de eficacia actual, que permite que la tecnología de los SBR compita con éxito con los sistemas convencionales. Todos los residuos que habitualmente se tratan con procesos de fangos activados se pueden tratar con reactores discontinuos secuenciales.

DIGESTIÓN AEROBIA

La digestión aerobia es un método alternativo de tratar los fangos orgánicos producidos en el curso de las diversas operaciones de tratamiento. Los digestores aerobios se pueden emplear para el tratamiento de: (1) únicamente fangos activados o de filtros percoladores; (2) mezclas de fangos activados o de filtros percoladores con fangos primarios, o (3) fango biológico en exceso de plantas de tratamiento de fangos activados sin sedimentación primaria. Actualmente suelen emplearse dos variantes del proceso de digestión aerobia: el sistema convencional y el sistema con oxígeno puro, aunque también se ha empleado la digestión aerobia termófila.

Descripción del proceso. En la digestión aerobia convencional, el fango se airea durante un largo periodo de tiempo en un tanque abierto, sin calefacción, empleando difusores convencionales o aireadores superficiales. El proceso se puede llevar a cabo de manera continua o discontinua. En plantas de pequeño tamaño se emplea el sistema discontinuo, en el que el fango se airea y se mezcla completamente durante un largo periodo de tiempo, dejándose sedimentar a continuación en el interior de la misma cuba. En los sistemas continuos, la decantación y concentración del fango se realiza en un tanque independiente. La digestión con oxigeno de gran pureza es una modificación del proceso de digestión aerobia en el que se sustituye el aire por oxígeno de gran pureza. El fango que resulta es parecido al fango que se obtiene en los procesos de digestión aerobia convencionales. La digestión aerobia termófila representa un refinamiento adicional del proceso de, digestión aerobia. Este proceso puede permitir conseguir altos rendimientos de eliminación de la

fracción biodegradable (superiores al 80 por 100) en tiempos de detención cortos (3 a 4 días) mediante la acción de bacterias termófilas a temperaturas entre 25 y 50 ºC superiores a la temperatura ambiente.

Microbiología del proceso. La digestión aerobia, como se ha comentado, es similar al proceso de fangos activados. Al agotarse el suministro de substrato disponible, los microorganismos empiezan a consumir su propio protoplasma para obtener energía para las reacciones de mantenimiento celular. Cuando ocurre esto, se dice que los organismos se hallan en fase endógena. <el tejido celular se oxida a dióxido de carbono, amoníaco y agua por vía aerobia. En la práctica, sólo se puede oxidar entre el 75 y el 80 por 100 del tejido celular, puesto que el resto está formado por componentes inertes y compuestos orgánicos no biodegradables. El amoniaco producido en esta oxidación se oxida a nitrato a medida que progresa la digestión. Si se mezcla fango activado, o fango procedente de filtros percoladores, con fango primario para su digestión aerobia conjunta, se producirá tanto la oxidación directa de la materia orgánica del fango primario como la oxidación endógena del tejido celular. Desde el punto de vista de su funcionamiento, se puede concluir que la mayoría de los digestores aerobios son reactores de flujo arbitrario sin recirculación.

Análisis del proceso. Los factores a tener en cuenta en el análisis de los digestores aerobios incluyen el tiempo de detención hidráulica, los criterios de carga del proceso, las necesidades de oxígeno, las necesidades energéticas para el mezclado, las condiciones ambientales y el funcionamiento y explotación del proceso.

PROCESOS AEROBIOS DE TRATAMIENTO DE CULTIVO FIJO

Los procesos de tratamiento aerobios de cultivo fijo se emplean, normalmente, para eliminar la materia orgánica que se encuentra en el agua residual. También se pueden emplear para llevar a cabo el proceso de nitrificación (conversión del nitrógeno amoniacal en nitrato). Los procesos de cultivo fijo incluyen los filtros percoladores, los filtros de pretratamiento o desbaste, los reactores biológicos rotativos de contacto (biodiscos) y los reactores de nitrificación de lecho fijo. Dado que el proceso de filtros percoladores es el más comúnmente empleado, será tratado con mayor detalle que el resto de los procesos.

FILTROS PERCOLADORES

El primer filtro percolador se puso en funcionamiento en Inglaterra en 1893. El concepto de filtro percolador nació del uso de los filtros de contacto, que eran estanques impermeables rellenados con piedra machacada. En su funcionamiento, el lecho de contacto se llenaba con el agua residual por la parte superior y se permitía el contacto del agua con el medio durante un corto espacio de tiempo. A continuación, se dejaba drenar el lecho y se permitía un cierto tiempo de reposo antes de repetir el ciclo. Un ciclo típico exigía un total de 12 horas, de las cuales 6 se destinaban al reposo del filtro. Las limitaciones del filtro de contacto incluían una posibilidad relativamente alta de obturaciones, la duración del periodo de reposo, y la carga que podía emplearse, que era relativamente baja.

Descripción del proceso. El filtro percolador moderno consiste en un lecho formado por un medio sumamente permeable al que se adhieren los microorganismos y a través del cual percola el agua residual, fenómeno del que recibe el nombre el proceso. El medio filtrante suele estar formado por piedras (en ocasiones también se emplean escorias), o diferentes materiales plásticos de relleno. En el caso de filtros percoladores con medio filtrante de piedra, el diámetro de las piedras oscila entre 2,5 y 10 cm. La profundidad del lecho varía en cada diseño particular, pero suele situarse entre 0,9 y 2,5 metros, con una profundidad media de 1,8 metros. Los filtros de piedra suelen ser circulares, y el agua residual se distribuye por la parte superior del filtro mediante un distribuidor rotatorio. Los filtros percoladores que emplean lechos de material plástico pueden tener diversas formas, habiéndose construido filtros circulares, cuadrados y de otras formas diversas, con profundidades entre 4 y 12 metros. Se suelen emplear tres tipos de medios filtrantes plásticos: (1) relleno de flujo vertical; (2) relleno de flujo transversal, y (3) otras distribuciones de rellenos a granel.

Los filtros incluyen un sistema de drenaje inferior para recoger el líquido tratado y los sólidos biológicos que se hayan separado del medio. Este sistema de drenaje inferior es importante, tanto como instalación de recogida como por su estructura discontinua a través de la cual puede circular el aire. El líquido recogido pasa a un tanque de sedimentación en el que se separan los sólidos del agua residual. En la práctica, se recicla una parte del líquido recogido en el sistema de drenaje inferior o del efluente del tanque de sedimentación, para diluir la concentración del agua residual que entra en el sistema y para mantener la humedad de la película biológica. La materia orgánica presente en el agua residual se degrada por la acción de la población de microorganismos adherida al medio. La materia orgánica del líquido es adsorbida en la película biológica, en cuyas capas externas (0,1 a 0,2 mm) se degrada bajo la acción de los microorganismos aerobios. Cuando los microorganismos crecen, aumenta el espesor de la película, y el oxígeno se consume antes de que pueda penetrar en todo el espesor de la película. Por lo tanto en la proximidad de la superficie del medio, se crea un ambiente anaerobio. Conforme la película aumenta de espesor, la materia orgánica adsorbida se metaboliza antes de que pueda alcanzar los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante. La consecuencia de no disponer de una fuente orgánica externa de carbono celular es que los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante se hallan en la fase de crecimiento endógena, en la que pierden la capacidad de adherirse a la superficie del medio. En estas condiciones, el líquido arrastra la película a su paso por el medio, y se inicia el crecimiento de una nueva capa biológica. Este fenómeno de pérdida de la película biológica, conocido como arrastre, es básicamente función de la carga hidráulica y orgánica del filtro. La carga hidráulica origina las velocidades de arrastre, y la carga orgánica influye en la velocidad de metabolismo en la capa biológica. En los filtros percoladores modernos, la carga hidráulica del sistema se regula para asegurar un espesor uniforme de la película biológica.

Microbiología del proceso. La comunidad biológica presente en un filtro está compuesta principalmente por protistas, incluyendo bacterias facultativas, aerobias y anaerobias, hongos, algas y protozoos. También se suelen encontrar algunos animales superiores como gusanos, larvas de insectos y caracoles. En el filtro percolador, los organismos predominantes son las bacterias. Su misión, junto con las bacterias aerobias y anaerobias, es la de descomponer la materia orgánica del agua residual. Entre las especies bacterianas habitualmente presentes están las Achromohbacter,

Flavobacterium, Pseudomonas y Alcaligenes. Dentro de la capa viscosa, en la que prevalecen condiciones adversas para el crecimiento, se presentan las formas filamentosas Sphaerotilus natans y Beggiatoa. En las zonas más bajas del filtro se encuentran las bacterias nitrificantes, Nitrosomonas y Nitrobacter. Los hongos presentes, también contribuyen a la estabilización del agua residual, pero su contribución sólo es importante a pH bajos o en el caso de algunas aguas residuales de origen industrial. En ocasiones, su crecimiento puede ser tan rápido que produce la obstrucción del filtro y limitan la ventilación del mismo. Entre las especies que suelen presentarse en los filtros percoladores se han identificado las siguientes: Fusazium, Mucor, Pencillium, Geotrichum, Sporatichum y diversas levaduras. Las algas sólo pueden crecer en las capas superiores del filtro, en las zonas hasta las que puede llegar la luz solar. Entre las especies de algas que se suelen encontrar en los filtros percoladores se pueden citar la Phormidium, Chlorella y Ulothrix. Por lo general, las algas no toman parte directa en la degradación de los residuos, pero añaden oxígeno al agua residual que se está filtrando durante las horas del día. Desde un punto de vista operacional, las algas son un estorbo, ya que pueden originar la obstrucción de la superficie del filtro, lo que conduce a la producción de olores. Los protozoos que se pueden encontrar en los filtros percoladores son predominantemente del grupo ciliata, e incluyen la Vorricella, la Opercularia y la Epistylis. Al igual que en el proceso de fangos activados, su función no es estabilizar el agua residual sino controlar la población bacteriana. Los animales superiores tales como caracoles, gusanos e insectos, se alimentan de las capas biológicas del filtro, con lo que ayudan a mantener la población bacteriana en estado de gran crecimiento o de rápida utilización del alimento. Las formas de vida superiores no son tan comunes en los filtros percoladores de alta carga. La presencia de caracoles es especialmente problemática en los filtros nitrificantes, en los que se sabe que consumen la mayor parte del crecimiento de las bacterias nitrificantes. Las poblaciones individuales de la comunidad biológica descritas anteriormente sufren variaciones a lo largo de la profundidad del filtro, en función de los cambios que se produzcan en la carga orgánica, la carga hidráulica, la composición del agua residual afluente, el pH, la temperatura, la disponibilidad de aire y otros factores que se analizarán en lo que sigue. Análisis del proceso. Los principales factores que hay que tener en cuenta a la hora de predecir el funcionamiento de los filtros percoladores son las cargas orgánica e hidráulica, y el grado de tratamiento necesario.

REACTORES

Es un sitio y/o tanques de almacenamiento de diferentes tipos y formas que permiten el tratamiento y purificación de aguas, en condiciones de control diversas. Las transformaciones biológicas y químicas que ocurran en él, por lo general se concretan en la formación de un floc biológico o químico que se separa económicamente en un tanque de sedimentación.

TIPOS DE REACTORES

Reactor de cochada de mezcla completa: Es un sistema cerrado, Reactor con inexistencia de afluente y efluente con mezcla completa en el contenido del tanque, Reactor con dispersión infinita, Puede ser cilíndrico o cuadrado con mezcla mecánica.

Reactor de flujo continuo y mezcla completa: Es un reactor ideal en donde el afluente es mezclado, Las partículas se dispersan de inmediato, es decir, dispersión infinita, Tanque de contenido homogéneo, La concentración del efluente es igual a la del licor mezclado del reactor.

Reactor de flujo pistón: Las partículas del fluidos viajan a lo largo del reactor sin mezclarse y se descargan en la misma secuencia u orden en el que entran, No existe difusión longitudinal ni mezcla, La dispersión es nula, Todos los elementos y/o partículas viajan a la misma velocidad, Las partículas se retienen en el sistema durante un tiempo similar al tiempo de retención hidráulica teórico.

Reactor UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanquet -Reactor Anaerobio de Manto de Lodos de Flujo Ascendente. Esta tecnología proveniente de Bélgica y Holanda, es aplicada especialmente al tratamiento de aguas residuales con alto contenido de materia orgánica.

Mayor superficie para la adhesión de microorganismos, mayor concentración de bacterias que en otros sistemas, lo cual permite operar con velocidades de carga orgánica más elevadas, Minimización de problemas de colmatación por sólidos. Elevada velocidad de transferencia de materia, que facilita el tratamiento de aguas con un alto contenido de materia orgánica, � Pérdida de presión en el lecho moderada, Concentración de lodos volátiles en la fuente moderada.

Ventajas: Producción de metano aprovechable, bajos costos de operación al no requerir oxígeno, la fermentación ácida y metánogenica, así como la sedimentación tienen lugar en el mismo tanque, por lo cual las plantas son muy compactas.

Desventajas: Las bacterias anaerobias (particularmente las metanogénicas) se inhiben por un gran número de compuestos, El arranque del proceso es lento, Su aplicación debe ser monitoreada, Puede requerir un pulimiento posterior de su efluente, generación de malos olores si no es eficazmente controlado.