INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

INGENIERÍA EN SISTEMAS AMBIENTALES

Tratamientos biológicos Es un proceso que se lleva a cabo por la actividad microbiana, con el objetivo de degradar materia orgánica e inorgánica biodegradables. Los microorganismos forman un lodo activado el cual va a metabolizar la materia coloidal biodegradable para disminuir la cantidad de de dicha materia presente en el agua residual y con esto cumplir con los límites máximos permisibles que se establecen en la normatividad aplicable. Existen dos tipos de tratamientos biológicos, aerobios y anaerobios.

Las principales reacciones, de los procesos aerobios y anaerobios, se esquematizan en la figura 1.

Ilustración 1. Diagrama de energía en los procesos biológicos. FUENTE: Elaboración propia

Los sistemas aerobios requieren oxígeno y tienen altas eficiencias en la remoción de la materia orgánica. En general pueden agruparse los procesos aerobios como se muestra en la figura 2.

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Materia orgánica

Anaerobio

CH4 + CO2

(biogas)

microoganismos

Aerobio

H2O + CO2

microorganismos

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Ilustración 2 Tipos de procesos aerobios. Fuente: Elaboración propia.

Los sistemas anaerobios utilizan CO2 para un funcionamiento. En general pueden agruparse los procesos aerobios en la figura 3.

Ilustración 3. Tipos de procesos anaerobios. Fuente: Elaboración propia.

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Proceso aerobio

ExtensivosLagunas de oxidación

Lagunas aireadas

Biomasa suspendida

Lodos activadosCompletamente mezclados

De flujo pistón

Aireación extendida

Zanjas de oxidación

Pelicula fijaFiltros percoladores

Biodiscos

Sistemas anaerobios

Biomasa en suspensión

Fosa séptica

Tanque imhoff

Laguna anaerobia

Digestor convencional

Digestor completamente mezclado

Contacto anaerobio

Biomasa fija

Filtro anaerobio

Reactor tubular de película fija

Reactor de lecho de lodos y flujo ascendente (UASB)

Lecho expandido

Lecho expandido

Lecho fluidificado

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lodos activados convencionalesProcesos de biomasa en suspensión ( Lodos activados convencionales ). El proceso de biomasa en suspensión es un proceso biológico generado por microorganismos en suspensión, los cuales se encuentran contenidos en los lodos; en este proceso las aguas residuales y el lodo activado entran en el tanque de aireación y se mezcla en condiciones aerobias con agitadores mecánicos, en el tanque se produce la adsorción, floculación y oxidación de la materia orgánica, para convertirla en biomasa, posteriormente se separan los lodos mediante un sedimentador secundario y ser recirculados dentro del sistema. Un diagrama de este proceso se muestra en la figura 4 (Moeller, 2009).

Ilustración 4. Proceso de lodos activados. Fuente: (Moeller, 2009)

Propiedades del funcionamiento del sistema.

Parámetros físicasTemperatura

La temperatura afecta el metabolismo de los microorganismos en los lodos activados. Los cambios bruscos de temperatura afectaran la actividad biológica, requiriendo un aumento o disminución de sólidos suspendidos volátiles en el licor mezclado, además de que se modificarían factores como las características de sedimentación y la transferencia de oxígeno.

El comportamiento de la temperatura en la actividad biológica se muestra en la Ilustración 5 en donde se observa que el rango óptimo de temperatura para la actividad microbiológica aerobia es entre 35-38 °C., a niveles de temperaturas diferentes al rango optimo, la actividad biológica, disminuirá hasta inhibirse.

Ilustración 5 Relación temperatura vs actividad biológica (Moeller, 2009).

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Sólidos

Los sólidos totales lo conforma la materia sólida tanto orgánica como inorgánica y se define por la materia que permanece como residuo después de evaporación a 105°C, Los sólidos se pueden clasificar después de una filtración en sólidos disueltos los cuales son sólidos coloidales por lo que no sedimentan, son la porción que pasa el tamiz, además de que permanecen en forma de cenizas después de evaporación a 105°C y los sólidos suspendidos los cuales son la porción contenida en el tamiz y que después de una evaporación a 105 ° permanecen en forma de cenizas.

Estos sólidos totales, suspendidos y disueltos a su vez se clasifican en función a su volatilidad en sólidos fijos y sólidos volátiles, los primeros son aquellos que permanecen después de calcinación a 550 +-50 °C y corresponde a la fracción inorgánica principalmente minerales, mientras que los segundos son aquellos que se pierden en la calcinación a 550 +-50 °C y se refieren a la fracción orgánica la cual se oxida y se desprende en forma de gas.

También se pueden clasificar en sedimentables y no sedimentables, los cuales por su peso específico sedimentan fácilmente o no en un determinado período de tiempo. Una forma sintetizada de obtener los sólidos se presenta a continuación en la Ilustración 6.

Una forma de equivalencias para obtener estos tipos de sólidos son los siguientes:

Sólidos totales = sólidos suspendidos + sólidos disueltos.

Sólidos totales = sólidos fijos + sólidos volátiles

Sólidos totales = sólidos sedimentables + sólidos no sedimentables + sólidos disueltos.

Sólidos suspendidos = sólidos sedimentables + sólidos no sedimentables.

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Ilustración 6. Clasificación de sólidos.

Caudal

El caudal de entrada al tanque de lodos activados puede variar, afectando la operación de este proceso, por ejemplo: El incremento de caudal por arriba de los valores de diseño disminuirá el tiempo de retención y por tanto, la capacidad de tratamiento reduciendo las eficiencias de operación.

El caudal de entrada es un factor con poco o nulo control, por lo se recomienda contar con un sensor de flujo ya que se necesitan para calcular cargas orgánicas, balance de sólidos, cálculo de parámetros de control como, A/M y TMRC, tiempos de retención, ajuste de recirculación purga y dosificación de nutrientes.

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Volumen conocido de agua

bruta

T=550+-50°CEnsayo Imhoff

No sedimentabl

es

sólidos sedimentabl

es

Filtrar

Porción que pasa el tamiz

Sólidos disueltos

T=105°C

Sólidos disueltos volatiles

Sólidos disueltos

fijosT=550+-50°C

Porción contenida

en el tamiz

Sólidos suspendido

sT=105°C

Sólidos supendidos

fijosT=550+-50°C

Sólidos suspendidos

volatiles

Sólidos totales T= 105°C

Sólidos totales

volatiles

Sólidos totales fijos

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Ilustración 7. Variaciones típicas de gasto y carga en

plantas pequeñas y medianas (Moeller, 2009).

Como se muestra en la Ilustración 7, el caudal está directamente relacionado con DBO, esto quiere decir que a mayor caudal, se tendrá de igual forma mayor DBO.

Parámetros químicosNutrientes

Los nutrientes que contienen las aguas residuales domésticas, generalmente están en cantidad suficiente para los microorganismos, los cuales requieren de elemento que son necesarios para su crecimiento (Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo y Azufre). A continuación se muestra en la tabla 1 el porcentaje de los principales elementos que contiene el agua residual.

Tabla 1. Nutriente de aguas residuales domesticas.

ELEMENTO SÍMBOLO COMPOSICIÓN (%)Carbono C 50

Oxígeno O 20

Nitrógeno N 14

Hidrógeno H 8

Fósforo P 3

Azufre S 1

Otros Otros 4

FUENTE: (Marín a.t. Osés, 2013)

Como se observa en la tabla anterior, los nutrientes que se encuentran en cantidades traza son principalmente nitrógeno y fosforo. Generalmente cuando no se tiene suficiente nitrógeno se desarrolla una población dispersa que sedimenta poco, además que se inhibe la producción de nuevas células, sin embargo, un exceso de nitrógeno y fosforo puede causar problemas de eutroficación. Por lo que es importante mantener en los niveles adecuados estos nutrientes, aproximadamente en una relación C: N: P = 100: 5: 1.

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pH

Para un buen funcionamiento del sistema de lodos activados, se debe mantener ciertos límites en el pH, en la Ilustración 8 se muestra que el pH óptimo de la actividad biológica se encuentra entre 6.5-8.5. Por lo que el sistema se debe de mantener en entre estos valores.

Ilustración 8 Niveles de pH y actividad biológica (Moeller, 2009).

A valores de pH bajo de 6.5, los hongos predominan sobre las bacterias, mientras que a valores de pH altos de 8.5, los nutrientes como el fósforo empiezan a precipitar, y ya no puede ser utilizado por las bacterias. En condiciones extremas por arriba o por abajo del rango de 5.0-10, las bacterias se inhiben.

Toxicidad

La toxicidad es atribuida a diversos elementos o compuestos:

Metales pesados, tales como: cobre, plomo, zinc, mercurio y cadmio.

Orgánicos, tales como: fenol, hidrocarburos clorados, plaguicidas.

Se pueden presentar dos tipos de toxicidad: crónica o aguda.

La toxicidad aguda se muestra con altas concentraciones de sustancias tóxicas y se presenta rápidamente (en cuestión de horas), donde la población biológica del tanque de aeración se inhibe completamente, lo que hace que este tipo de toxicidad sea detectada rápidamente.

Mientras que la toxicidad crónica se muestra cuando un elemento aumenta gradualmente dentro de las bacterias, donde las bacterias son recirculadas en el sistema provocando que la concentración del elemento tóxico se incremente dentro de los microorganismos, el nivel tóxico se presenta lentamente haciendo difícil su identificación por lo que disminuye la actividad celular de los microorganismos hasta inhibirlos completamente.

Medición de materia orgánica

Como se mencionó anteriormente la materia orgánica es el sustrato para las bacterias presentes en los lodos activados, por lo que es muy importante su adecuada medición. La

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concentración de materia orgánica se puede medir a través de dos parámetros, el primero es la demanda bioquímica de oxigeno (DBO5), en la cual un procedimiento tarda 5 días, por el contrario el segundo parámetro es la demanda química de oxigeno (DQO), en la cual su procedimiento tarda aproximadamente 3 horas.

Los valores típicos de influente son:)

DBO5 =110-400 mg/L

DQO =250-800 mg/L

La relación entre la DQO y la DBO5 es mayor a 0.6 el origen de la fuente es domestico y si la relación entre la DQO y la DBO5 es menor a 0.6 el origen de la fuente es industrial (Marín a.t. Osés, 2013).

Demanda bioquímica de oxigeno. (DBO)

Es una estimación de la cantidad de oxígeno que requiere una población microbiana heterogénea para oxidar la materia orgánica de una muestra de agua en un periodo de 5 días. El método se basa en medir el oxígeno consumido por una población microbiana en condiciones en las que se ha inhibido los procesos fotosintéticos de producción de oxígeno en condiciones que favorecen el desarrollo de los microorganismos. (Nom-028)

Este parámetro tiene gran importancia en el proceso de lodos activados ya que se relaciona con el consumo de energía; al haber un aumento de DBO, existe incremento de materia orgánica, lo que genera que los microorganismos se reproduzcan rápidamente, disminuyendo la concentración de oxigeno disuelto y esto conlleva a requerir mayor aireación al sistema de lodos activados, dando como resultado mayor consumo de energía.

Se debe de mantener controlado este parámetro debido a que se pueden presentar problemas en los tanques de lodos activados, si la DBO5 aumenta se tendrá exceso de microorganismos, estas poblaciones serán jóvenes provocando sedimentación pobre, además de que si no se tienen los adecuados niveles de oxigeno disuelto se tendrán zonas anaerobias. Por el contrario si se tiene una disminución de DBO5 se tendrá una población pobre con respecto a microorganismos.

Para la determinación de este parámetro se tiene la NMX-AA-028-SCFI-2001. Análisis de agua-Determinación de la demanda bioquímica de oxígeno en aguas naturales-residuales (DBO5) y residuales tratadas-Método de prueba.

Demanda química de oxigeno (DQO)

Es la materia presente en un cuerpo de agua tanto orgánica como inorgánica que puede ser oxidada por algún oxidante fuerte. El tiempo para determinar DQO es de aproximadamente 4 a 5 horas

Este parámetro tiene ciertas ventajas comparado con la BDO5, la más relevante es que su estimación es en menor tiempo y mayor facilidad.

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Existe una relación entre los parámetros DQO y DBO5, para minimizar tiempos en la determinación de DBO5

Oxígeno disuelto (OD)

Las bacterias presentes en lodos activados, que son las responsables de la eliminación de materia biodegradable, son aerobias por lo que toman el oxígeno que requieren del oxigeno disuelto que proporcionan los sistemas de aireación en este caso discos perforados.

La principal función de la zona aerobia es de oxidar la materia orgánica para proporcionar un ambiente en el cual la biomasa pueda asimilar los nutrientes, si no se tiene el oxigeno disuelto necesario se inhibe a las bacterias aerobias y no se elimina materia biodegradable, también se generan condiciones anaerobias en los tanques, lo que conlleva a la producción de gases tóxicos para las bacterias aerobias.

Además cabe resaltar que la ausencia de oxigeno genera bacterias filamentosas, las cuales causan graves problemas en la sedimentación, por lo que es muy importante no permitir la formación de dichas bacterias.

Los niveles de oxígeno disuelto se clasifican de la siguiente manera:

Si OD < 0.5 mg/L, no hay condiciones aerobias

Si OD < 1 mg/L, se favorece el crecimiento de bacterias aerobias filamentosas que no sedimentan fácilmente.

Si OD > 3 mg/L, no hay algún beneficio. Hay un consumo de energía innecesario en el sistema de aireación.

Se recomienda que el oxígeno disuelto este entre 1 y 3 mg/L. no se debe exceder del oxígeno necesario ya que la energía que se utiliza para proporcionar aireación a los tanques es el principal costo de operación de las plantas de tratamiento.

Parámetros biológicosMedición de cantidad de microorganismos

La cuantificación directa de los microorganismos es difícil debido a que las bacterias que se encuentran en el tratamiento son muy diversas. En la Ilustración 9 se muestra los tipos de microorganismos que debe de tener un lodo activado para tener una buena calidad.

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Ilustración 9. Microorganismos vs calidad del lodo

Un indicador para medir la cantidad de microorganismos se determinar con los sólidos suspendidos totales ya que las bacterias transforman el sustrato soluble a biomasa. Pero como hay sólidos inertes, es mejor utilizar los sólidos suspendidos volátiles como indicador de la cantidad de biomasa.

La relación entre la los sólidos suspendidos volátiles y los sólidos suspendidos es la siguiente:

Sólidos suspendidos volátiles 0.8 sólidos suspendidos totales.

Los valores típicos del reactor biológico son:

Sólidos suspendidos totales= 1000-4000 mg/L

Sólidos suspendidos volátiles= 800-3200 mg/L

Aunque para cumplir con la NOM-003-SEMARNAT-1997, los valores que tienen límites máximos permisibles son los sólidos suspendidos totales.

Los sólidos suspendidos totales o residuo no filtrable es la porción de sólidos retenidos por un filtro de fibra de vidrio, que posteriormente se seca a 103 °C hasta un peso constante, la diferencias de peso con el filtro sin muestra representa los sólidos suspendidos totales. Estos sólidos son de naturaleza orgánica. Mientras que los sólidos suspendidos volátiles involucran la materia orgánica incluido los inorgánicos que es capaz de volatilizar en la calcinación.

Indicadores

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Color, Olor, Espumas, Algas, Rocío en aireadores, Claridad del efluente Burbujeos, Material flotante, Acumulación de sólidos, Trayectoria de flujos, Turbulencias y Tacto.

Indicadores analíticos

Oxígeno disuelto (OD), Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5), Demanda química de oxígeno (DQO), Prueba de utilización de oxígeno, Sólidos suspendidos totales y volátiles (SST y SSV), Prueba de sedimentación de 30 minutos (IVL), Nutriente (nitrógeno y fósforo), pH, Grasas y aceites, Temperatura, Análisis microscópicos, Profundidad del manto de lodos, Acidez y alcalinidad, Gastos, Tiempos de retención, Dosificación de químicos y Niveles y alturas en tanques.

10. Bibliografía

1. Marín O. A. y Osés P. M. (2013). Operación y Mantenimiento de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales con el Proceso de Lodos Activados. CEA-Jalisco, TOMO1. Recuperado el 25 de marzo de 2014 de la página web de la Comisión nacional del agua de Jalisco. http://www.ceajalisco.gob.mx/publicaciones/pdf/plantas_tratam_tomo1.pdf2. Moeller Ch. G., Sandoval Y. L., Ramírez C. E., Cardoso V. L., Escalante E.V.E., Tomasini O. A. C. Operación y mantenimiento de plantas de tratamiento de lodos activados. Recuperado el 9 de febrero de 2015 de la página web de IMTA (INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA) http://virtual.cocef.org/Discos_documentos_consultores/Disco_398/Lodos_activados_7ta_ED.pdf

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