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7 OPERACIÓN DE PLANTAS DE LODOS ACTIVADOS MI. Cesar Calderón Molgora

Objetivo particular:

Al término del tema el participante:

• Comprenderá la importancia que tienen los indicadores visuales y los analíticos para la operación de un sistema de lodos activados.

• Comprenderá la información que se obtiene de los distintos

parámetros que se miden en una planta de lodos activados para tomar decisiones de operación.

• Aplicará distintas herramientas de operación como son F/M, el

tiempo de retención celular, la tasa de respiración y el índice volumétrico de lodos.

. Introducción. Se dice que una planta de tratamiento de aguas residuales es tan eficiente como lo son sus operadores. Una planta bien diseñada pero mal operada ofrecerá malos resultados, una planta con problemas de diseño pero bien operada puede ofrecer resultados satisfactorios, una planta bien diseñada y bien operada logra efluentes de buena calidad. Para operar una planta hay que vigilar el comportamiento de las distintas unidades de proceso, hay que llevar registro de los datos obtenidos y procesarlos para obtener información que permita el control del sistema. En este capítulo revisaremos los parámetros e indicadores con que cuenta el operador para manejar el proceso. Algunos de ellos son del dominio común, como por ejemplo la DBO5 y los sólidos suspendidos totales, pero hay otros que se presentan dentro de los reactores, y que no necesariamente se pueden medir o cuantificar a través de técnicas analíticas –como por ejemplo la formación de distintos tipos de espuma en el tanque de aeración–, pero no por ello son menos importantes; todos los indicadores son información valiosa que un operador experimentado toma en cuenta y le permite actuar, con oportunidad y precisión, para que el sistema funcione y produzca un efluente con la calidad requerida. También en la operación de las plantas se presentan problemas, al final del capítulo se incluyen dos matrices que consignan las fallas más comunes del proceso de lodos activados, las posibles causas y la forma de resolver dichas fallas.

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7.1 Indicadores El operador debe estar conciente que los verdaderos trabajadores de la planta son los microorganismos. La palabra microorganismos cubre a los diversos seres vivientes que se encuentran en las aguas residuales. De forma simple, para los operadores son de especial interés los organismos unicelulares que forman flóculos y los que forman filamentos; los organismos deseables, dentro de una planta de lodos activados son los primeros. Asimismo tiene la responsabilidad de proporcionar o crear las condiciones ideales para que los organismos se aglutinen y formen un flóculo –que es la unidad básica de los lodos– lo suficientemente denso para sedimentar. Para cumplir con dicha responsabilidad el operador debe observar el proceso para ello utiliza tanto los indicadores visuales como los analíticos. La planta de tratamiento es un ecosistema completo y como tal ofrece respuestas ante las diferentes condiciones a las que se enfrenta, algunas de las respuestas del sistema pueden observarse sin necesidad de equipos y se conocen como indicadores visuales.

a) Color b) Espuma c) Algas d) Materia flotante e) Burbujeo f) Acumulación de sólidos g) Turbulencia h) Trayectoria del flujo i) Claridad en el efluente j) Aspecto del lodo k) Olor

a) Color Puede indicar la edad de los lodos, un lodo activado en buen estado presenta un color café claro, un lodo oscuro o negro podrá indicar que hay condiciones de septicidad dentro del reactor ya sea por mala distribución del oxígeno disuelto (fallas en el equipo de aeración, condiciones de mezcla inadecuadas) o por sobrecarga orgánica. Asimismo, colores inusuales pueden indicar la presencia de desechos industriales, especialmente los textiles. b) Espuma Indica que los niveles de sólidos no están en el intervalo recomendado o bien que los lodos son jóvenes o viejos. La formación de espuma blanca en el efluente de la planta indica altas concentraciones de sólidos. La formación de grandes cantidades de espuma blanca

Indicadores visuales más comunes

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cremosa en el aerador indica que el lodo es muy joven, y se debe disminuir la purga de lodos; espuma espesa de color café oscuro indica que el lodo es viejo y es necesario aumentar la purga. La presencia de espuma puede deberse a la presencia de agentes espumantes, pero las características de dicha espuma son diferentes. c) Algas La proliferación de algas en las paredes, canaletas y vertedores significa que el agua contiene muchos nutrientes (nitrógeno y fósforo). Para controlar el exceso de nutrientes es necesario identificar la fuente de nutrientes, si es la propia agua residual, a la entrada de la planta se puede agregar compuestos como cloruro férrico para precipitar el fósforo; si es una planta del tipo industrial que se le agregue ácido fosfórico entonces es necesario disminuir o suspender la adición de dicho reactivo. d) Material flotante El material flotante en el sedimentador secundario es indicador de niveles altos de grasas y aceites en el influente de la planta; esto interfiere con la sedimentación secundaria y puede causar bajas eficiencias de remoción de DBO. Por otra parte, una capa de nata en el sedimentador secundario significa que se está inyectando demasiado aire y que las microburbujas arrastran a los flóculos fuera del manto de lodos. El oxígeno disuelto en el aerador se debe mantener entre 1 y 2 mg/L. e) Burbujeo El burbujeo en el sedimentador indica que el manto de lodos es demasiado profundo y el lodo permanece ahí mucho tiempo y entra en condiciones de anaerobiosis con la consecuente producción de metano, dióxido de carbono y ácido sulfhídrico (formadores de la burbujas). Las burbujas arrastran sólidos en su ascenso lo que interfiere con el buen funcionamiento del sedimentador. En este caso es necesario aumentar la recirculación o la purga, dependiendo del nivel de sólidos suspendidos en el aerador. f) Acumulación de sólidos La acumulación de sólidos, especialmente en las esquinas y en los espacios entre los difusores, indica un mezclado deficiente en el tanque de aeración. Este problema puede identificarse muestreando el tanque con equipo para pruebas de fondo o con una pértiga para sentir los depósitos de lodo. Otra posible causa de la formación de sedimentos en el tanque de aeración es que los desarenadores y/o los sedimentares primarios no están funcionando correctamente.

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Este problema se puede resolver o paliar colando mamparas y redondeado las esquinas de los tanques. Adicionalmente, es necesario revisar el desempeño del equipo de aeración. g) Turbulencia La turbulencia en el tanque de aeración debe ser uniforme, si se observan zonas con baja turbulencia puede deberse a difusores obstruidos o a la colocación desigual de aeradores superficiales. En los sistemas de aeración por difusión, las zonas de baja turbulencia indican el lugar preciso en que los difusores están obstruidos. h) Trayectoria de flujo La observación de la trayectoria del flujo puede ayudar a detectar cortos circuitos; el movimiento que describe la espuma, la materia flotante o los sólidos suspendidos son una indicación del patrón de flujo y puede verse de este modo un corto circuito, por ejemplo si el movimiento es demasiado rápido. El problema se puede subsanar mediante la colocación de mamparas. i) Claridad del efluente

La claridad del efluente es un indicador del estado del proceso, si el efluente es claro el proceso está trabajando bien, que el efluente sea turbio es una señal de un mal funcionamiento de la planta. Si el problema se localiza en una sección específica del sedimentador, es probable que esté desnivelado, si el arrastre es en todas la canaletas puede ser que el lodo tenga mala sedimentabilidad (lodo joven), o que haya una sobrecarga ya sea hidráulica o de sólidos. j) Aspecto del lodo El aspecto del lodo es otro indicador. Normalmente los flóculos tienen una apariencia esponjosa, pero sedimentan bien, si el lodo presenta un aspecto poco compacto es probable que existan microorganismos filamentosos. Por otra parte, si los flóculos son muy pequeños y compactos puede deberse a un exceso de aeración; si los lodos son compactos y sedimentan muy rápido se trata de un lodo viejo. k) Olor El olor de los lodos activados, cuando el sistema opera bien, es como de humedad; si la planta genera malos olores es un indicio de problemas operativos, ya sea que no se esté aerando suficientemente el reactor, que se esté acumulando demasiado tiempo el lodo en el sedimentador, que el sistema esté en un choque orgánico. Algunas de soluciones posibles son: aumentar la aeración o aumentar la recirculación y/o la purga de lodo del sedimentador.

265

Los indicadores analíticos, junto con los indicadores visuales, son la principal herramienta de operación de una planta de lodos activados, se utilizan tanto para el seguimiento cotidiano del desempeño de la planta como para tomar decisiones de operación. En la figura 7.1 se señalan los puntos recomendados para la toma de muestras o para la medición directa de los indicadores analíticos.

Punto de muestreo Parámetros analíticos y mediciones 1 Influente DBO5

DQO SST pH Caudal Grasas y aceites

2 Tanque de aeración OD SST (SSLM), SSV (SSVLM) Tasa de respiración (TR) Observación al microscopio

3 Línea de conexión entre el reactor y el sedimentador

SST SSV SSed y prueba de sedimentabilidad

4 Sedimentador Profundidad del manto de lodos OD (eventualmente)

5 Efluente SST DBO5 DQO

6 Líneas de recirculación y purga

SST SSV Caudal

1 2 2

2 2

23

4

5

6

6

Figura 7.1. Puntos recomendados para el muestreo

266

Una medición fundamental, aunque no es propiamente un indicador analítico es la el caudal de agua que entra a la planta ya que determina el tiempo que el agua permanece en el sistema, la cantidad de contaminantes que entran. Por otra parte, algunas herramientas de operación, como el gasto de recirculación están expresadas como una fracción del gasto. La medición del caudal se puede hacer a la entrada o la salida del sistema o incluso en ambos puntos y con ello además se puede tener un balance hidráulico más completo. El nivel de oxígeno disuelto (OD) en el tanque de aeración es un parámetro de operación muy importante, si la concentración es baja (< 1 mg/L) se inhibe la actividad microbiana aerobia y la eficiencia en la remoción de DBO disminuye. Niveles bajos de OD pueden deberse a problemas con el sistema de aeración, pero también a sobrecarga orgánica. Cuando hay mucho oxígeno disuelto (> 2 mg/L) se afecta la sedimentación del lodo y se desperdicia energía eléctrica. Las causas de niveles altos de OD pueden deberse a sobredosificación de oxígeno, pero también pueden indicar baja actividad metabólica (lodos viejos) o presencia de sustancias tóxicas en el agua. La DBO5 y la DQO sirven para medir la cantidad de materia orgánica presente en el agua; la DBO cubre la fracción biodegradable o aprovechable por los microorganismos, pero el tiempo de realización de la prueba no permite tomar acciones oportunas. Por otra parte, la DQO tiene un tiempo de respuesta rápido (2 a 3 horas) pero abarca toda la materia oxidable (biodegradable y no biodegradable). Por ello es necesario establecer la relación que existe entre ambas (DQO/DBO5). Para ello se corren simultáneamente ambas pruebas a una misma muestra de agua (al inicio de operaciones de la planta, una vez que el proceso se ha estabilizado) y con una periodicidad de 1 o 2 semanas se verifica que la relación se mantenga. De esta forma se puede utilizar la DQO como parámetro de control y la DBO5 sirve de referencia. En el caso particular de México, la DBO5 es el parámetro que se reporta a las autoridades encargadas de vigilar las descargas en aguas nacionales. Utilización de OD (pruebas de respirometría). Esta prueba sirve para medir la actividad microbiana en el aerador; mide la velocidad de utilización del oxígeno por los microorganismos. Se toma una muestra del tanque de aeración, se satura de oxígeno y con la ayuda de un oxímetro se mide la concentración de oxígeno disuelto en el agua y su variación en el tiempo. En la figura 7.2 se observa una curva típica de utilización del oxígeno. Con ello el operador puede saber si los microorganismos tienen una actividad normal, si presentan una actividad mayor o si están inhibidos.

267

La pendiente de la parte recta de la curva es la tasa de utilización del oxígeno (mg/L·min). En la figura 7.3 se observa que la tasa máxima de utilización de oxígeno se encuentra aproximadamente en el punto en que la concentración de microorganismos (SSV) y materia orgánica (DBO5) son iguales. También se observa que al aumentar la edad de los lodos la utilización del oxígeno tiende a disminuir, lo que quiere decir que la actividad metabólica de los microorganismos tiende a decrecer y por ello la remoción de materia orgánica es menor.

12

10

8

6

4

2

0 5 10 15 20 25

Tiempo (min)

OD

(mg/

L)

Figura 7.2. Curva de utilización del oxígeno

268

Los sólidos suspendidos (SST) y los sólidos suspendidos volátiles (SSV) son indicadores analíticos utilizados como parámetros de control. Los SSVLM son una medida aproximada de la cantidad de microorganismos presentes en el aerador y se utiliza para calcular la relación F/M (alimento dividido entre la cantidad de microorganismos) que es una de las herramientas de control de proceso. La otra herramienta de control de proceso es el tiempo de retención celular (TRC) y se calcula a partir de los SST, el gasto de recirculación de lodos y la purga de lodos. La prueba de sedimentabilidad a los 30 minutos es otra herramienta de control muy utilizada. La prueba se realiza en una probeta graduada de uno o dos litros o incluso en cilindros de 15 cm de diámetro conocidos como decantómetros (estos últimos minimizan los efectos de pared y dan una mejor aproximación a las condiciones dentro del sedimentador). Se llena la probeta o el decantómetro con una muestra tomada directamente del tanque de aeración, se agita y se observa como se desplaza la interfase lodo-agua a lo largo del tiempo. El comportamiento de dicha interfase en el tiempo es semejante a la mostrada en la figura 7.4.

Materia orgánica (mg/L)

Utilización de oxígeno (mg/L·min)

Sólidos biológicos (mg/L)

Tiempo

Con

cent

raci

ón o

tasa

Figura 7.3. Utilización típica de oxígeno

269

Si los lodos sedimentan bien en las probetas o el decantómetro, pero no lo hacen bien en el sedimentador, entonces hay que buscar en este último. Una sedimentación deficiente puede ser porque el manto de lodos sea muy alto, anaerobiosis, desnitrificación, sobrecarga hidráulica o corto circuito en el tanque. Los nutrientes esenciales para el desarrollo de los microorganismos son el nitrógeno y el fósforo. La proporción mínima que debe existir entre carbono (medido como DBO5), nitrógeno y fósforo para que el proceso opere bien es (C:N:P) 100:5:1. Las aguas residuales municipales, generalmente, poseen ambos nutrientes en cantidad suficiente para que el proceso funcione correctamente; en aguas industriales o bien aguas municipales con alta influencia industrial es necesario revisar continuamente ambos nutrientes y si hay déficit de alguno o ambos hay que agregarlos, de lo contrario el proceso no funcionará bien. Las manifestaciones de falta de nutrientes pueden ser flóculos dispersos o de mala sedimentabilidad, poca producción de biomasa, esto redunda en efluentes con alto contenido de materia orgánica. El pH debe estar entre 6.5 y 8.5 para que los microorganismos se puedan desarrollar y el proceso funcione de acuerdo con lo esperado; si el pH se encuentra fuera del intervalo el proceso no será eficiente y hay que neutralizar. Esto es especialmente importante en aguas industriales. La temperatura se debe vigilar ya que la actividad biológica es directamente proporcional a la temperatura, desgraciadamente, si hay variaciones muy importantes el operador no puede hacer mucho para contrarrestar el efecto causado. Una posible solución es instalar

0 10 20 30 40 50 60

200

400

600

800

Tiempo (min)

Volu

men

de

lodo

s (m

L)

Figura 7.4. Curva de sedimentabilidad de lodos

270

un tanque homogenizador, pero eso sólo se hará si se tiene alguna fuente o aportación que continuamente modifique la temperatura del agua residual. Las observaciones al microscopio, como se vio en el tema de microbiología, hay que hacerlas continuamente, lo deseable es que exista una gran variedad de microorganismos sobre todo bacterias, protozoarios ciliados (fijos y de nado libre) y rotíferos. La profundidad del manto de lodos en el sedimentador se debe vigilar continuamente, es recomendable que la distancia entre la interfase sólido-líquido y el espejo de agua sea de 1 m, si el manto de lodos se encuentra por arriba de ese límite quiere decir que los lodos no se extraen a una tasa adecuada y se están acumulando, esto a su vez se puede reflejar en fenómenos como la anaerobiosis, la desnitrificación o el arrastre de lodos en el efluente. Por el contrario, si el nivel del manto de lodos es muy bajo la sedimentación será deficiente y es la concentración de lodos en la línea de recirculación será baja. Para medir la profundidad del manto de lodos se puede utilizar una manguera o un tubo de acrílico con una pichancha (válvula de no retorno) colocada en el extremo (Figura 7.5). Se introduce este dispositivo en el sedimentador a una profundidad de 1.5 a 2 metros y se extrae, en el tubo o manguera se observará claramente la distancia que hay entre los lodos y espejo de agua. Otros parámetros como son grasas y aceites serán retirados en el pretratamiento o en el tratamiento primario por lo que no deben ser un problema para el sistema biológico, sin embargo, hay sistemas industriales que no cuentan con un pretratamiento, en esos casos

Lodos

Agua

Interfase

Pichancha

Diámetro del tubo o manguera de 1 a 2”

Figura 7.5. Muestreador de profundidad del manto de lodos

271

hay que vigilar la presencia de grasas y aceites y si se llegan a presentar es conveniente instalar una trampa de grasas. Generalmente, las aguas municipales tienen suficiente alcalinidad y acidez para contrarrestar cambios en el pH por efecto del CO2 generado, sin embargo, si existen efluentes industriales que pudieran provocar variaciones en el pH del agua y sacaran al sistema del intervalo recomendado (6.5 a 8.5) hay que vigilar el comportamiento y de ser necesario neutralizar. Por otra parte, los sistemas industriales es posible que no se tenga una capacidad de amortiguamiento suficiente y se necesario contar con un tanque de neutralización. El seguimiento de los indicadores visuales y analíticos es el primer paso para una buena operación de la planta de lodos activados. Un sistema de lodos activados bien operado presenta las siguientes características:

• Los microorganismos tienden a agruparse para formar flóculos de color café claro.

• Los flóculos sedimentan a una tasa uniforme, definiendo una clara interfase

entre el agua y el lodo, y casi no dejan partículas suspendidas por arriba de dicha interfase.

• Al examinarlos al microscopio se observan pocos flagelados y amebas, y

muchos ciliados tanto de nado libre como fijos. En contraste, en un sistema con operación deficiente tenderán a predominar los lodos filamentosos, el efluente arrastra lodos y no es claro; al observar los lodos al microscopio los filamentos son evidentes. Los microorganismos filamentosos pueden ser aerobios o facultativos. Cuando son microorganismos aerobios se les puede controlar suspendiendo temporalmente el suministro de aire; si son facultativos se pueden controlar mediante precloración. 7.2 Control del proceso La función principal del operador de la planta de tratamiento es el control del proceso de tratamiento para que el agua tratada tenga las características que le permitan cumplir con la normatividad para ser descargada o para ser reutilizada. Para el control del proceso se cuenta con dos métodos: F/M y TRC. 7.2.1 Método F/M La F/M es la relación que existe entre la cantidad de materia orgánica o alimento que ingresa al sistema (F) y la cantidad de microorganismos presentes en el sistema (M).

272

F Se obtiene al multiplicar la concentración del agua residual (mg de DBO5/L) por el caudal total (L/d o m3/d) y M es el resultado de multiplicar el resultado de la prueba de SSV (mg/L o g/m3) por el volumen del aerador. Si DBO = 220 mg/L y el caudal es de 100 L/s entonces F = 220 g/m3 X 0.1 m3/s X 86,400 s/d X 1 kg/1000g = 1,900.8 kg/d Si SSLM = 2,600 mg/L y el volumen del reactor es de 1,440 m3 (4 horas de tiempo de retención para un flujo de 100 L/s) y SSV = 0.6 SS M = 2,600 g/m3 X 0.6 X 1,440 m3 X 1 kg/1,000 g = 2,246.4 kg

85.04.246,2

/8.900,1/ ==kgSSLM

dkgDBOMF (1)

Suponiendo que se trate de un sistema de aeración de alta tasa o de oxígeno puro, la relación se encuentra en el intervalo recomendado y se puede mantener el sistema operando en las condiciones actuales (Tabla 6.1). Sin embargo, si se trata de un sistema de flujo pistón, de alimentación por etapas, de contacto-estabilización, la relación F/M está por arriba del límite recomendado para estas variantes del sistema de lodos activados y es necesario disminuir el valor de la relación y si el sistema fuera del tipo de aeración extendida la relación debe ser todavía menor ¿Qué haría para estabilizar el sistema suponiendo que se trate de un reactor de flujo pistón? Tabla 7.1 Parámetros típicos para el diseño de reactores de lodos activados

Proceso Tipo de flujo TRC

D

F/M Kg DBO

Kg SSV·d

SSLM

mg/L

TRH

h Aeración de alta tasa

Pistón 0.5-2 1.5-2.0 200-1,000 1.5-3

Contacto- estabilización

Pistón 5-10 0.2-0.6 1,000-3,000 6,000-10,000

0.5-1 2-4

Oxígeno puro Pistón 1-4 0.5-1.0 2,000-5,000 1-3 Convencional (flujo pistón)

Pistón 3-15 0.2-0.4 1,000-3,000 4-8

Completamente mezclado

Completamente mezclado

3-15 0.2-0.6 1,500-4,000 3-5

Alimentación por etapas

Pistón 3-15 0.2-0.4 1,500-4,000 3-5

Aeración extendida

Pistón 20-40 0.04-0.10 2,000-5,000 20-30

Zanjas de oxidación

Pistón 15-30 0.04 3,000-5,000 15-30

Reactor por lotes (SBR)

Por lotes 10-30 0.04 2,000-5,000 15-40

(Fuente: Metcalf & Eddy, 2003).

273

La cantidad de alimento F que entra a la planta no puede ser controlada, pero la cantidad de microorganismos en el reactor M si. La forma en que el operador puede manipular la M es a través de la recirculación y la purga de lodos. Como en el ejemplo la F/M es muy alta, el operador debe aumentar la recirculación y disminuir la purga de lodos. Si la F/M fuere muy baja, quiere decir que hay poca comida y muchos microorganismos, por lo tanto habría que aumentar la purga de lodos y disminuir la recirculación. Si el influente de la planta presenta pocas variaciones en el influente, es decir, si F es relativamente constante entonces se puede controlar el proceso manteniendo una M constante, para ello se desechan suficientes SSLM (purga). Cuando el influente es muy variable es necesario ajustar continuamente M, en este caso es necesario hacer análisis frecuentes de la materia orgánica a través de DQO o incluso de COT. La figura 7.6 es una gráfica que relaciona la F/M con la concentración de SSLM y el tiempo de retención celular (el otro método de control). Nótese que al mantener constante la F/M y aumentar la edad de lodos en días la curva tiende a ser asintótica a un valor, es decir que no se puede superar la concentración de SSLM más allá de cierto límite.

5

4

3

2

1

0 0 10 20 15 5

Edad de lodos (días)

Con

cent

raci

ón d

e SS

LM (g

/L) 1.0

0.8 0.6 0.4 0.2

0.1

Figura 7.6 Relación entre F/M, edad de lodos y SSLM.

274

7.2.2 Método edad de los lodos o tiempo de retención celular (TRC) Otro de los aspectos que debe controlar el operador del sistema es la edad de los lodos, hay que evitar que el lodo sea muy joven o muy viejo. Un lodo joven presenta una demanda elevada de alimento (DBO) y oxígeno, pero destinan la mayor parte de la energía obtenida al crecimiento de las células, sin embargo, no es fácil que las células se aglutinen y formen flóculos los suficientemente pesados como para sedimentar. Como resultado, el efluente presentará incrementos en la DBO y en los sólidos suspendidos. En el sedimentador se manifiesta a través de “nubes” emergentes de partículas y espuma blanca emergente. Los síntomas de un lodo joven se manifiestan en:

• Descenso en el nivel de oxígeno disuelto en el reactor como consecuencia del aumento de la demanda de oxígeno.

• El nivel de oxígeno disuelto en el clarificador será muy cercano a cero, esto a consecuencia de que dentro del sedimentador siguen ocurriendo procesos metábolicos.

• IVL, el lodo sedimenta muy lentamente si es que llega a hacerlo. • La tasa de respiración es mayor que la normal. • La relación F/M será alta. • El tiempo de retención celular es corto • Los SSLM.

Un lodo viejo, por su parte, presenta una sintomatología diferente. El nivel de actividad es bajo, la demanda tanto de oxígeno como de alimento tiende a decrecer y el lodo sedimenta muy rápido; otros síntomas son:

• En el efluente se observan los flóculos conocidos como “cabeza de alfiler”. • El manto de lodos en el sedimentador estará en niveles bajos. • Se forma espuma oscura y brillante en el tanque de aeración. • El nivel de oxígeno disuelto en el tanque de aeración y en el sedimentador es

muy alto. • IVL bajo, el lodo tiende a compactarse mucho, la velocidad de sedimentación

de los lodos muy rápida • El sobrenadante se ve turbio por la gran cantidad de partículas suspendidas. • Tasa de respiración baja, la relación F/M es baja y el tiempo de retención

celular es alto. Tanto el proceso de aeración extendida como la digestión aerobia de lodos se operan en esta modalidad de lodo viejo. En las otras variantes de lodos activados se busca tener un lodo intermedio: ni joven ni viejo.

275

El tiempo de retención celular se calcula con la siguiente ecuación:

EP kgSSVkgSSVkgSSVLMTRC

+= (2)

donde SSVP Sólidos suspendidos volátiles en la purga (línea de recirculación) SSVE sólidos suspendidos volátiles en el efluente Como ya se mencionó, el tiempo de retención celular se controla mediante la purga de lodos, menor purga mayor TRC, mayor purga menor TRC. El TRC y la F/M se encuentran relacionados de la siguiente forma TRC bajo equivale a una F/M alta; un TRC alto equivale a una F/M baja Para calcular el caudal de la purga de lodos se utiliza la siguiente ecuación

P

E

P SSV

kgSSVTRC

kgSSVLM

Q−

= (3)

Otro cálculo que debe tener en cuenta el operador es el gasto de recirculación que se obtiene con la siguiente ecuación

SSLMSSSSLMQQ

RR −

×= (4)

Donde Q es el caudal que entra a la planta. SSR son los sólidos suspendidos en la línea de recirculación, nótese que en este caso se usan los sólidos totales y no los volátiles. La cantidad de lodo a recircular o la tasa de recirculación también se puede calcular a partir del índice volumétrico de lodos (IVL) 7.2.3 Cálculo del IVL El índice volumétrico de lodos (IVL) representa el volumen que ocupa un gramo de sólidos suspendidos del licor mezclado. Para calcularlo se requiere la información del contenido de sólidos del reactor SSLM y el contenido de sólidos sedimentables en un litro de muestra.

276

a) Si se tiene una concentración de 2,640 mg/L de SSLM y los sólidos sedimentables son 330 mL/L, entonces el IVL será:

gmLLmg

gmgLmLIVL /125/600,2

/000,1/330=

×= (5)

b) En caso que los sólidos sedimentables fueran del doble, el IVL sería:

gmLLmg

gmgLmLIVL /250/600,2

/000,1/660=

×= (6)

Suponiendo que ambos lodos se retornan al aerador a la misma tasa de bombeo, digamos Qr = 0.3Q, el lodo del caso b sólo ingresará la mitad de los sólidos al tanque de aeración. Por otra parte, si el sistema del caso a permite mantener el nivel de lodos del sedimentador en un nivel constante, en el caso b el nivel de lodos tenderá a subir y a la larga se presentará el arrastre de lodos del sedimentador. Para controlar el sistema en el caso b habría que duplicar la tasa de retorno de lodos al aerador, de tal forma que el gasto de retorno se duplicaría, pero la cantidad de sólidos aportados sería la misma que la del caso a y el nivel de lodos en el sedimentador también se mantendría constante. En la figura 7.7 se presenta la relación entre concentración de SSLM, el IVL y QR/Q, si el IVL es 100, con una 25% de recirculación se mantendría el nivel de SSLM en aproximadamente 3,000 mg/L, en cambio, para mantener ese nivel de sólidos con un IVL de 200 sería necesario recircular el 100%.

277

IVL es una herramienta muy útil para la operación, ya sea que se utilice el método F/M o el método del TRC.

7.2.4 Cálculo de la tasa de respiración. Otra herramienta de control es la tasa de respiración que es un indicador de la actividad de los microorganismos presentes en los lodos activados. Para calcular la tasa de respiración se requiere:

A) Medir los SSLM y expresarlos en gramos por litro. B) Tomar una muestra del efluente del tanque de aeración. C) Vacíe la muestra en un recipiente hermético y lleno hasta la mitad. D) Agite la muestra por 45 segundos para saturarla de oxígeno. E) Vacíe la muestra saturada en una botella de DBO e introduzca el electrodo del

oxímetro. F) Mida el nivel de oxígeno durante 10 minutos con lecturas cada minuto. G) Calcule la tasa de utilización del oxígeno (TUO).

Con

cent

raci

ón d

e SS

LM (m

g/L)

Relación de recirculación QR/Q

Figura 6.7. Relación entre SSLM, IVL y QR/Q (Fuente: Operator’s Pocket Guide to Activated Sludge)

278

[ ]hL/mgOhrmin/60min10

10OD0ODTUO 2 ⋅=×−

= (7)

H) Divida la TUO entre los SSLM para obtener la tasa de respiración (TR)

[ ][ ] [ ]ghmgO

LgSSLMhLmgOTUOTR ⋅=

⋅= /

//

22 (8)

Si la tasa de respiración es alta se trata de un lodo joven y hay que aumentar la recirculación. Si la tasa de respiración es baja entonces se trata de un lodo viejo y hay que aumentar la purga. 7.2.5 Gráficas de operación Como sugerencia a los operadores se plantea el uso de gráficas, para ello el operador recopila todos los datos disponibles de los parámetros de control y lo vacía en gráficas como las que se muestran a continuación. De esta manera se transforman los datos a una forma útil que permite ver, de forma rápida y sencilla, la tendencia del proceso y comparar los resultados obtenidos cuando se hicieron cambios en la operación (figura 7.8).

279

Horas 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12 4 8 12

am pm am pm am

12

20

Disminuir purga en esta zona

Aumentar purga en esta zona Tasa

de

resp

iraci

ón

Baj

a

N

orm

al

Alta

Disminuir purga en esta zona

Aumentar purga en esta zona

IVL

120

80

1

2

3

4

5

6

TRC

0

.3

0.2

F/

M

11,000 10,000 9,000 8,000 7,000 6,000 5,000

Con

cent

raci

ón

del

lodo

de

reci

rcul

ació

n (m

g/L)

Disminuir purga en esta zona

Aumentar purga en esta zona

Figura 7.8. Gráficas de operación. (Fuente: Operator’s pocket Guide to Activated Sludge)

280

Los valores de las gráficas están en función del tipo de sistema de lodos activados que se tenga, una planta de aeración extendida maneja tiempos de retención celular más altos que los reportados en la gráfica y el intervalo de la F/M es menor, cada operador tendrá que elaborar las gráficas con base en las características específicas de su planta y con el tiempo tendrá muy bien establecidas las condiciones óptimas de operación. Las condiciones óptimas de operación se caracterizan por:

• El tiempo de retención hidráulico en el reactor es suficiente para que los microorganismos metabolicen el alimento.

• El tiempo de retención celular es suficiente para permitir la formación de un

lodo saludable.

• Hay suficientes microorganismos (SSLM) en el sistema para remover y metabolizar todo el alimento (DBO) que entra.

• El lodo presenta una buena sedimentabilidad, es decir, precipita lo

suficientemente lento para arrastrar consigo a la mayoría de las partículas suspendidas en el agua, pero lo suficientemente rápido para que la clarificación se lleve a cabo en el tiempo de retención hidráulico del sedimentador.

• Los microorganismos en el lodo de recirculación están listos para comer.

7.3 Identificación y resolución de problemas de operación A continuación se presentan dos matrices útiles para la identificación y resolución de problemas de operación de plantas de lodos activados. La primera matriz relaciona los problemas más frecuentes de operación y las posibles causas. La segunda matriz plantea las mismas posibles causas de los problemas de operación y las posibles soluciones.

281

CAUSAS OD alto OD bajo pH alto/bajo Lodo viejo Lodo joven Manto de lodos alto

Manto de lodos bajo

F/M alto F/M bajo Nutrientes insuficientes

Fósforo alto

Choque de carga

orgánica PROBLEMA

1 Sedimentación pobre en el clarificador XXX XXX XXX XXX XXX XXX XXX XXX XXX

1.1a Abundamiento de lodo filamentoso

XXX XXX XXX XXX

1.1b Abundamiento de lodo no filamentoso XXX XXX XXX

1 Lodo ascendente XXX XXX 1 Desfloculación XXX XXX 1 Fóculo disperso XXX XXX 2 Flóculo fino XXX XXX

2 Arrastre de lodos en el clarificador

3 Espuma excesiva en el aerador

XXX XXX XXX

3 Espuma blanca XXX XXX 3 Espuma café obscuro gruesa XXX

4 Baja demanda de OD en el aerador XXX XXX

5 Alta demanda de OD en el aerador XXX XXX

6 Malos olores XXX

7 Exceso de natas en el sedimentador XXX XXX

8

Crecimiento excesivo de algas en las paredes y vertedores del sedimentador XXX

9 Acumulación de sólidos en el aerador

10 Bajo nivel de OD en el aerador

XXX

11 Alto nivel de OD en el aerador

XXX

12 Alto/bajo pH XXX 13 Baja remoción de DBO XXX XXX XXX XXX

14

Concentración baja de SS en el lodo de recirculación XXX

Tabla 7.2 Problemas en plantas de lodos

282

Continuación Tabla 2 …

CAUSAS Choque de carga

hidráulica

Mezcla pobre

Toxicidad Corto circuito Exceso de OD Transferencia inadecuada de

oxígeno

Vertedores desnivelados

Derrame industrial

Temperatura baja SSVLM bajos Septicidad en el sedimentador

Desnitrificación

PROBLEMA

1 Sedimentación pobre en el clarificador XXX XXX XXX XXX XXX XXX XXX

1.1a Abundamiento de lodo filamentoso

XXX XXX

1.1b Abundamiento de lodo no filamentoso

XXX

1 Lodo ascendente XXX XXX 1 Desfloculación XXX XXX 1 Fóculo disperso XXX

2 Flóculo fino XXX

2 Arrastre de lodos en el clarificador

XXX XXX

3 Espuma excesiva en el aerador

XXX

3 Espuma blanca XXX 3 Espuma café obscuro gruesa

4 Baja demanda de OD en el aerador

XXX XXX XXX XXX

5 Alta demanda de OD en el aerador

XXX

6 Malos olores XXX XXX XXX

7 Exceso de natas en el sedimentador XXX XXX

8

Crecimiento excesivo de algas en las paredes y vertedores del sedimentador

9 Acumulación de sólidos en el aerador XXX XXX XXX

10 Bajo nivel de OD en el aerador

XXX XXX XXX XXX XXX

11 Alto nivel de OD en el aerador

XXX XXX

XXX XXX XXX XXX

12 Alto/bajo pH XXX XXX 13 Baja remoción de DBO XXX XXX XXX XXX XXX XXX XXX

14

Concentración baja de SS en el lodo de recirculación XXX XXX

283

Acción correctiva Incrementar la recirculación

Disminuir recirculación

Incrementar la purga

Disminuir la purga

Incrementar los SSLM

Disminuir los SSLM

Aumentar aeración

Disminuir aeración

Agregar nutrientes

Colocar mamparas

Nivelar vertedores

Ajustar equipo de aeración

Implementar programa de

pretratamiento

Colocar chaflanes en esquinas de

aerador

Instalar tanque de igualación

CAUSAS OD alto OD bajo pH alto/bajo Lodo viejo Lodo joven Manto de lodos alto

Manto de lodos bajo

F/M alto F/M bajo Nutrientes insuficientes

Fósforo alto Choque de carga orgánica

Choque de carga hidráulica

Mezcla pobre Toxicidad Corto circuito Exceso de OD Transferencia inadecuada de oxígeno

Vertedores desnivelados

Derrame industrial

Temperatura baja

SSVLM bajos septicidad en el sedimentador

Desnitrificación

284

Autoevaluación Instrucciones: Lea cuidadosamente cada una de las preguntas y responda en forma breve y precisa. 1. Además de las pruebas analíticas, las plantas de lodos activados presentan una serie de indicadores visuales, escriba a continuación cinco de ellos

2. ¿Cómo se puede medir la actividad de los microorganismos?

3. ¿Cuál es la distancia mínima recomendada que debe existir entre la interfase lodo-agua y el espejo de agua en el sedimentador secundario?

4. ¿Qué es la relación F/M?

5. ¿Cómo se calcula la F/M?

285

Bibliografía. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Operación y mantenimiento de plantas de tratamiento de lodos activados. Apuntes del curso de capacitación. Cuernavaca, 1993. Metcalf & Eddy, Inc. Wastewater Engineering Treatment, Disposal and Reuse. Revisado por Tchobanoglous, G. y Burton, F. 4ª edición. Mc Graw Hill. Nueva York. 2003. WSBC Civil Engineers, Inc. Operator´s Pocket Guide to Activated Sludge Part One “The basics”. Texas, U.S.A. 1986. WSBC Civil Engineers, Inc. Operator´s Pocket Guide to Activated Sludge Part Two “Process Control & Trouble Shooting”. Texas, U.S.A. 1986.