Estrategias Para La Minimización de Fangos Residuales en El Proceso de Lodos Activados

ESTRATEGIAS PARA LA MINIMIZACIÓN DE LA

PRODUCCIÓN DE FANGOS RESIDUALES EN

EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS (Yu Liu y Joo-Hwa Tay)

INGENIERÍA DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

INGENIERÍA AMBIENTAL

CURSO ACADÉMICO 2011-2012

Profesora de la asignatura: MARGARITA JOVER SMET

CARLOS DÍEZ DÍAZ


CARLOS DÍEZ DÍAZ 2

ÍNDICE 1.- INTRODUCCIÓN. ..................................................................................... 3 2.- EL PROBLEMA DE LOS LODOS RESIDUALES. ....................................... 3 3.- CONSIDERACIONES TEÓRICAS. ............................................................ 4

3.1.- METABOLISMO DE MANTENIMIENTO. ................................................................ 4 3.2.- METABOLISMO ENDÓGENOS. ............................................................................. 4 3.3.- ENERGÍA DE LIBERACIÓN. ................................................................................... 4

4.- ESTRATEGIAS PRÁCTICAS. ................................................................... 4

4.1.- PROCESO DE SEDIMENTACIÓN ÓXICA-ANAERÓBICA. .................................... 5 4.2.- PROCESO DE ALTA DISOLUCIÓN DE OXÍGENO. ............................................... 5 4.3.- PRESENCIA DE DESCONECTORES EN EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS. ................................................................................................................... 6 4.4.- LA OZONIZACIÓN COMBINADA CON EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS. 6 4.5.- CONTROL DEL TIEMPO DE RETENCIÓN DE LODOS Y LA BIODEGRADACIÓN DE DICHOS LODOS. ...................................................................................................... 7

5.- PERSPECTIVAS FUTURAS. .................................................................... 7



1.- INTRODUCCIÓN.

El artículo analizado trata, tal y como se indica en su título, de diversas estrategias para la minimización de la producción de fangos en el proceso de lodos activados, de forma que no se reduzca la eficiencia y la estabilidad del proceso. Se recuerda, de forma muy esquemática, el proceso de lodos activados. Consiste en un proceso biológico en el cual se crea primero, y se mantiene después, un cultivo bacteriano disperso en forma de flóculo, el cual constituye los fangos activados. La agitación evita sedimentos y homogeneíza la mezcla de flóculos y el agua residual, dando lugar al licor de mezcla. La aireación tiene la finalidad de suministrar el oxígeno necesario que precisan las bacterias y los microorganismos aerobios. Después del tiempo de contacto necesario, el licor de mezcla se envía a un clarificador, el decantador secundario, destinado a separar el agua depurada de los fangos. Un porcentaje de los fangos separados se envía de nuevo al depósito de aireación (recirculación), con el fin de mantener una concentración suficiente de biomasa activa. El excedente, denominados fangoso o lodos en exceso, se evacúa al tratamiento de fangos. Es precisamente de éstos últimos sobre los que trata la temática del artículo analizado.

2.- EL PROBLEMA DE LOS LODOS RESIDUALES.

El proceso de activación de lodos ha sido, y es, de gran aplicación mundial en la práctica del tratamiento de aguas residuales municipales e industriales. En un proceso convencional de lodos activados, la producción de lodos residuales llega a ser de alrededor de un 15 a 100 l/kg DBO5 consumida, del cual más del 95% es agua (Metcalf y Eddy, 1991; Bitton, 1994). Obviamente, la finalidad del proceso de lodos es la eliminación de contaminantes orgánicos más que el cultivo de fango residual. Según estudios realizados por McCarty (1996) el crecimiento de lodos residuales en Estados Unidos seguiría un aumento exponencial, mientras que Chudoba (1991) asegura que la cantidad de lodos residuales producidos en la Unión Europea, ya en 1984, alcanzó los 5,56 millones de materiales secos. Por tanto, se advierte el reto que supone el aumento de la producción de lodos residuales en el campo de la ingeniería ambiental. Los lodos residuales producidos constituyen un problema económico, de forma que han de ser eliminados de forma racional, tanto desde el punto de vista medioambiental como en lo que a costes se refiere. El tratamiento de los lodos residuales puede representar hasta un 25-65% del coste total de operación de la planta (Horan, 1990; Zhao y Kugel, 1997). Por tanto, dada la problemática para un posible uso de estos lodos residuales, se considera la posibilidad de resolver los problemas asociados de lodos reduciendo la producción de los mismos en el proceso de purificación de las aguas residuales en lugar de un tratamiento posterior.



3.- CONSIDERACIONES TEÓRICAS.

3.1.- METABOLISMO DE MANTENIMIENTO. El metabolismo de mantenimiento, según Pirt (1965), es la parte de una fuente de energía es utilizada para mantener las funciones vitales de los microorganismos. Dicha energía de mantenimiento incluye la energía para la renovación de materiales de la célula, transporte activo, movilidad, etc. La importancia del metabolismo de mantenimiento es que en el consumo de sustrato asociado al mantenimiento no se sintetiza a nueva masa celular. Por lo tanto, la producción de lodos debe estar inversamente relacionada con la actividad de metabolismo de mantenimiento (Chang y otros, 1993; Liu y Tay, 2000). Teniendo en cuenta la disminución de la producción de biomasa que generalmente se observa cuando disminuye la tasa específica de crecimiento, Herbert y otros (1956) postularon que los requerimientos de energía de mantenimiento podrían ser satisfechos a través del metabolismo endógeno. 3.2.- METABOLISMO ENDÓGENOS. En el caso del metabolismo endógeno, parte de los componentes celulares se oxidan para producir la energía necesaria para el mantenimiento de las funciones celulares. La principal ventaja del metabolismo endógeno es que el sustrato entrante podría ser finalmente respirado y convertido en dióxido de carbono y agua, lo cual resulta una menor producción de biomasa (Gaudy y Gaudy, 1980; Martinage y Paul, 2000). Según los citados Gaudy y Gaudy (1980), “el objetivo es diseñar la operación para fomentar la mayor cantidad de esta incineración biológica como sea posible, es decir, mejorar la descomposición aeróbica del ciclo carbono-oxígeno''. 3.3.- ENERGÍA DE LIBERACIÓN. El metabolismo constituye la suma de las transformaciones bioquímicas que incluye interacciones de reacciones catabólicas y anabólicas, de forma que los comportamientos de un cultivo microbiano vienen determinados por el anabolismo y el catabolismo. Sin embargo, bajo ciertas condiciones (protonophores orgánicos, metales pesados, temperatura anormal y ciclos alternos aeróbico-anaeróbico) el catabolismo sería mucho mayor que el anabolismo, produciéndose una liberalización de energía. Como resultado de las condiciones de liberalización de energía, las tasas de crecimiento del lodos activados se reducirían notablemente. 4.- ESTRATEGIAS PRÁCTICAS.

Se pretende en el presente apartado discutir las diversas técnicas para minimizar la producción de lodos residuales en el proceso aeróbico de tratamiento de aguas residuales a través de la maximización de la liberalización de energía, lisis celular endógena y físico-química.



Las posibles técnicas, de aplicación a escala industrial, contempladas en el artículo son las indicadas a continuación, desarrolladas en subapartados posteriores:

Procedimiento de oxidación óxica-anaeróbica. Proceso de alta disolución de oxígeno. Proceso con presencia de desconectores. Combinación del proceso con ozonicación. Control del tiempo de retención y la biodegradación de los lodos.

4.1.- PROCESO DE SEDIMENTACIÓN ÓXICA-ANAERÓBICA. Esta técnica consiste en una modificación de la tecnología convencional de lodos activados mediante la introducción de una cámara anóxica en la línea de recirculación de los fangos. Westgarth y otros (1964), informaron, por vez primera, que la introducción de un período de anaerobiosis en fases altas del proceso de activación de lodos, podría reducir la tasa de producción de fangos residuales en comparación con el proceso convencional sin cámara anaeróbica, considerándose desde entonces una estrategia de ayuno/banquetes basada en ciclos óxicos y anaeróbicos. En lo microorganismo aeróbicos, el ATP, es decir la forma que tienen de obtener la energía, se genera por la oxidación del sustrato exógeno orgánico. Cuando los microorganismos están sujetos a condiciones anaeróbicas sin suministro alimenticio ya no son capaces de producir la energía y tienen que utilizar sus reservas de ATP como fuente de energía. Durante este período de hambre anaeróbica, la ATP se agotaría. Después, cuando los microorganismos vuelven al reactor aeróbico con alimentación enriquecida, tienen que reconstruir las reservas de energía necesarias antes de realizar la biosíntesis celular, porque la síntesis no podía llevarse a cabo sin un cierto stock intracelular de ATP. En este caso, el consumo de sustrato debe asociarse a un metabolismo catabólico para satisfacer las necesidades energéticas de los microorganismos (Chudoba y otros, 1991). Según investigaciones realizadas (Chudoba y Capdeville, 1991; Chudoba y otros, 1991), en el proceso de sedimentación oxico-anaeróbica, la producción de lodos residuales se reducía entre un 20 y un 65% en comparación con un proceso convencional. 4.2.- PROCESO DE ALTA DISOLUCIÓN DE OXÍGENO. Se reconoce en general que en todas las escalas del proceso de lodos activados el suministro de oxígeno disuelto desempeña un papel limitante en el aumento de la facilidad del tratamiento de lodos. Los resultados de la oxigenación en el proceso de purificación de lodos activados demuestran que el rendimiento del crecimiento se puede bajar hasta en un 54% en comparación con el sistema de activación de aire del proceso convencional de lodos activados Hasta la fecha del artículo (2001) el mecanismo de reducción de la producción de fangos con una operación de alta demanda de oxigeno no está totalmente claro. McWhirter (1978) postuló que la alta concentración de demanda de oxígeno produciría un mayor nivel de biomasa activa, y por lo tanto, se daba una menor tasa real de carga de lodos



que el mismo valor aparente de carga de lodos en relación a un sistema con una baja demanda de oxígeno. Por otro lado, Abbassi y otros (2000) advirtieron que la explicación anterior puede no revelar totalmente la reducción en la producción de lodos. Los anteriores propusieron además que el aumento de la concentración de oxígeno en el líquido a granel como resultado de una difusión de oxígeno profunda, posteriormente conducía una ampliación del volumen aeróbico dentro de los flóculos. Como resultado, la biomasa hidrolizada en la masa floculada (materia suspendida) puede ser degradada aeróbicamente, reduciéndose de esta forma la cantidad de lodo. 4.3.- PRESENCIA DE DESCONECTORES EN EL PROCESO DE LODO ACTIVADOS. En este caso, diversas investigaciones se centraron en el desarrollo del proceso de liberalización de energía con indución de desconectores para minimizar la producción de fangos sobrantes (Okey y Stensel, 1993; Low y Chase, 1998; Mayhew y Stephenson, 1998; Chen y otros, 1999; Liu, 2000; Low y otros, 2000). Los desconectores (protonophores orgánicos) empleados son dinitrofenol (dNP), paranitrofenol (pNP), pentaclorofenol y tetraclorosalicilanilido (TCS). En presencia de protonophores orgánicos, la mayoría de sustrato orgánico se oxida a dióxido de carbono en lugar de utilizarse para la biosíntesis. Como resultado, la eficiencia de crecimiento es muy baja en el proceso de lodos activados. La mayoría de protonophores orgánicos son xenobióticos y potencialmente perjudiciales para el medio ambient, siendo el tetraclorosalicilanilido (TCS) parece el más respetuoso con el medio ambiente. Una desconexión de energía inducida por protonophores a gran escala supondría el efecto negativo de un aumento inesperado en el requerimiento de oxígeno (Mayhew y Stephenson, 1998). Es de esperar que la combinación de proceso de aireación de oxígeno puro con la técnica de desconexión metabólica pueda generar una biotecnología novedosa y eficiente para la minimización de la producción de fangos residuales. 4.4.- LA OZONIZACIÓN COMBINADA CON EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS. Otra de las técnicas exitosas para la reducción de fangos residuales en el proceso de lodos activados consiste en un sistema que combina el proceso de lodos activados y la ozonización intermitente, (Yasui y Shibata, 1994; Sakai y otros, 1997; Kamiya y Hirotsuji, 1998). Kamiya y Hirotsuji (1998) obtuvieron los siguientes resultados para el proceso de lodos activados combinado con ozonización:

Una parte del lodo activado en el tanque de aireación es ozonizado en el reactor de ozono. La mayoría de los microorganismos de los lodos activados presentes en el reactor de ozonización se mató y se oxido convirtiéndose en sustancias orgánicas.



Estas sustancias orgánicas producidas a partir de la ozonización del lodo pueden

ser degradadas con el posterior tratamiento biológico.

Las investigaciones de los autores anteriores mostraron que la producción de fangos residuales en el tanque de aireación se reducirá en un 50% por día a una dosis de ozono de 10 mg/g MLSS, mientras que la dosis de ozono se mantuvo a unos niveles de 20 mg/g MLSS por día en el tanque de aireación, no se produjeron fangos residuales. 4.5.- CONTROL DEL TIEMPO DE RETENCIÓN DE LODOS Y LA BIODEGRADACIÓN DE DICHOS LODOS. Según diversas investigaciones, el tiempo de retención de lodos es el parámetro más operativo en el proceso de lodos activados, donde para un esta estacionario, dicho tiempo de retención se encuentra inversamente relacionado con la tasa de crecimiento específico. La expresión que relaciona el tiempo de retención (θc) con el rendimiento del crecimiento de los lodos (Yobs) es la expuesta a continuación:

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Ymax: Rendimiento real del crecimiento. Kd: Tasa endógena específica.

La ecuación proporciona una base teórica para los ingenieros de la planta en el control de la producción total de lodos mediante el ajuste del tiempo de retención de lodos durante el tratamiento biológico de las aguas residuales. De acuerdo con diversas investigaciones citadas en el artículo, se deduce de los resultados que el proceso de aireación de oxígeno puro operado a un tiempo de retención relativamente largo es mucho más beneficioso para la reducción de la producción de lodos residuales. Otra forma de lograr una menor producción de lodos es favorecer el crecimiento críptico, es decir, un crecimiento microbiano de la lisis. La investigación muestra que la lisis celular microbiana puede ser amplificada por prolongación del tiempo de retención de lodos o mediante tratamientos físico-químicos de los lodos, tales como tratamiento térmico, tratamiento ácido y alcalino 5.- PERSPECTIVAS FUTURAS.

Una vez expuestas las diversas técnicas la minimización de la producción de fangos residuales, cabe destacar la combinación de los diferentes procesos, lo cual puede generar técnicas novedosas y más eficientes para el control de la producción de fangos residuales. Lo anterior supone enfoques interesantes y atractivos para la investigación futura.

Alicante, 30 de marzo de 2012

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Estrategias Para La Minimización de Fangos Residuales en El Proceso de Lodos Activados