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La respirometría: valorar, controlar y optimizar el proceso de fangos activos

fangos activosLa lenta dinámica del proceso de fangos activos es uno de los inconvenientes principales a la hora de tomar decisiones cuando surgen problemas. Sea cual sea la medida que se decida tomar, sus efectos sobre el proceso no se observarán de forma clara hasta pasados unos días. Este hecho hace que sea especialmente relevante, por un lado, detectar los problemas lo antes posible y, por otro lado, tomar las decisiones correctas desde el primer momento. No obstante, no es posible evaluar el proceso biológico con medidas físicas o químicas, se necesita información directa de la biomasa y del efecto que tiene sobre ella el agua residual a tratar. La técnica de la respirometría permite valorar, controlar y proteger el proceso de fangos activos al aportar información relacionada con el estado o actividad de la biomasa.

La respirometría se basa en la medida de la velocidad del consumo de oxígeno de las bacterias cuando degradan un sustrato orgánico, nitrógeno amoniacal o bien a ellas mismas (respiración endógena). La tasa de respiración (OUR) consiste en la cantidad de oxígeno consumido por las bacterias por unidad de tiempo y se expresa en mg O2/(L•h). Como este parámetro depende de la cantidad de microorganismos presentes en la muestra, habitualmente se trabaja con la tasa de respiración específica (SOUR), que es la tasa de respiración dividida por la cantidad de biomasa de la muestra. Se expresa en mg O2/(g•h) y su valor ya sólo depende del estado de la biomasa y de la cantidad y biodegradabilidad del sustrato que tenga disponible.

Comparando el valor de la tasa de respiración específica de la muestra con los valores de referencia (tabla), se puede conocer si el proceso biológico está sobrecargado (hay demasiado sustrato para tan poca biomasa), opera a buen rendimiento o, por el contrario, se evidencian síntomas de toxicidad. Para una misma agua residual, el aumento progresivo de la tasa de respiración específica es indicativo de un aumento de la actividad biológica, y a la inversa.
A parte de poder conocer la salud y la capacidad actual del proceso de fangos activos y el carácter tóxico del agua residual para los microorganismos mediante la respirometría, esta técnica también permite:

  • Optimizar la aeración y así fomentar el ahorro energético de la planta. A través de la respirometría se determina de manera precisa las necesidades reales de oxígeno, para un agua residual y con una biomasa determinada.
  • Caracterizar el agua a tratar en función de su biodegradabilidad por el fango activo. Se puede conocer el fraccionamiento de la DQO del agua a tratar en función de si es rápidamente biodegradable, lentamente biodegradable o no biodegradable. Esta caracterización es muy útil para valorar y ajustar el proceso.
  • Detectar vertidos industriales con efectos inhibitorios o tóxicos sobre la biomasa. La respirometría permite detectar los efectos perjudiciales del agua residual sobre los microorganismos justo en el momento en que empieza a afectarles, permitiendo tomar medidas que palien los efectos ocasionados.
  • Optimizar el proceso de nitrificación/desnitrificación. Permite determinar la tasa de nitrificación real y la tasa de desnitrificación real de nuestro proceso. En base a estos valores se puede reajustar la edad del fango.
  • Analizar la relación de nutrientes (C:N:P) en el agua residual. El hecho de que los nutrientes esenciales no estén en el agua residual en la proporción que los microorganismos los necesitan produce una serie de efectos negativos sobre la estabilidad del proceso de fangos activos. Mediante la respirometría se puede detectar si la relación de nutrientes en el agua reduce la actividad biológica y es origen de problemas.
  • Determinar parámetros cinéticos, necesarios para la modelización del proceso. Mediante respirometría se pueden determinar parámetros como el coeficiente de rendimiento de la biomasa heterótrofa, la tasa de utilización de la DQO, la tasa de nitrificación, etc.

Así pues, la respirometría es una técnica sencilla y práctica, que nos aporta información directa de la biomasa. Nos permite anticiparnos a la mayoría de problemas que pueden afectar al proceso, garantizando que desde el primer momento se están tomando las medidas correctas para paliar el problema. Asimismo, también constituye una herramienta necesaria para optimizar el proceso y determinar parámetros esenciales para su modelización.

Tabla referencia

Tratamiento biológico de aguas residuales

Reactor biológico de aguas residualesEl tratamiento biológico de aguas residuales se lleva a cabo mediante una serie de importantes procesos de tratamiento que tienen en común la utilización de microorganismos (entre los que destacan las bacterias) para llevar a cabo la eliminación de componentes solubles en el agua. Estos procesos aprovechan la capacidad de los microorganismos de asimilar la materia orgánica y los nutrientes (nitrógeno y fósforo) disueltos en el agua residual para su propio crecimiento. Cuando se reproducen, se agregan entre ellos y forman unos flóculos macroscópicos con suficiente masa crítica como para decantar en un tiempo razonable.

La aplicación tradicional consiste en la eliminación de materia orgánica biodegradable, tanto soluble como coloidal, así como la eliminación de compuestos que contienen nitrógeno y fósforo. Es uno de los tratamientos más habituales, no solo en el caso de aguas residuales urbanas, sino en buena parte de las aguas industriales, por su sencillez y su bajo coste económico de operación.

En la mayor parte de los casos, la materia orgánica constituye la fuente de energía y de carbono que necesitan los microorganismos para su crecimiento. Además, también es necesaria la presencia de nutrientes, que contengan los elementos esenciales para el crecimiento, especialmente nitrógeno y fósforo, y por último, en el caso de sistemas aerobios, la presencia de oxígeno disuelto en el agua. El oxígeno no es imprescindible, ya que los microorganismos son capaces de degradar la materia orgánica también en condiciones anaerobias. Este aspecto será clave a la hora de elegir el proceso biológico más conveniente.

En el metabolismo celular, juega un papel fundamental el aceptor final de electrones en los procesos de oxidación de la materia orgánica. Este aspecto, además, tiene una importante incidencia en las posibilidades de aplicación al tratamiento de aguas residuales. Atendiendo a cuál es dicho aceptor final de electrones se distinguen tres casos:

  • Sistemas aerobios: el oxigeno es el aceptor final de electrones preferido por cualquier célula. Si existe oxigeno en el medio, éste será el aceptor final de electrones, lo que conlleva que se obtengan rendimientos energéticos elevados y una importante generación de fangos, debido al alto crecimiento de las bacterias en condiciones aerobias.
  • Sistemas anaerobios: en este caso el aceptor final de electrones es la propia materia orgánica que actúa como fuente de carbono. Como resultado de este metabolismo, la mayor parte del carbono se destina a la formación de subproductos del crecimiento (biogás, que es CO2 y metano) mientras que la fracción de carbono utilizada para la síntesis celular es baja. De cara al tratamiento, este hecho supone una doble ventaja: se produce poca cantidad de lodos a la vez que se produce biogás, el cual puede ser revalorizado. Normalmente se aprovecha para producir energía eléctrica, la cual se autoconsume en la propia instalación.
  • Sistemas anóxicos: Se denominan así los sistemas en los que el aceptor final de electrones no es el oxigeno ni tampoco la materia orgánica. En condiciones anóxicas el aceptor final de electrones suelen ser los nitratos, los sulfatos, el hidrógeno, etc. Cuando el aceptor final de electrones es el nitrato, como resultado del proceso metabólico, el nitrógeno de la molécula de nitrato es transformado en nitrógeno gas. Así pues, este metabolismo permite la eliminación biológica del nitrógeno del agua residual (desnitrificación).

Teniendo en cuenta todos estos aspectos, existe una gran variedad de formas de operar, dependiendo de las características del agua, así como de la carga orgánica a tratar. Los criterios que ayudan a seleccionar si es más conveniente un proceso aerobio, o bien si un proceso anaerobio será mayor provechoso, son la concentración de materia orgánica a eliminar, si es necesaria la eliminación de nitrógeno, la disponibilidad de espacio físico y la relación entre el OPEX y el CAPEX del proyecto. En la siguiente tabla se puede observar cómo en función de estos criterios, qué tipo de proceso (aerobio o anaerobio) es mas conveniente:

tratamiento biológico de aguas residuales

Por otro lado, la biomasa puede crecer libre, en suspensión en el interior del biorreactor, o bien adherida a un soporte (biomasa fija). En el proceso convencional crece en suspensión, igual que en el caso de los reactores secuenciales (SBR) y en los reactores de biomembrana (MBR). En los reactores de biodiscos, biofiltros, filtros percoladores o de lecho móvil (MBBR) la biomasa crece adherida a la superficie de un soporte de plástico o de arena. Este criterio, si la biomasa crece en suspensión o fijada a un soporte, conlleva una serie de consecuencias prácticas que convienen tener en cuenta en el momento de seleccionar qué tecnología es la más conveniente. En la siguiente tabla se resumen:

depuración biológica de aguas residuales

Así pues, la selección del proceso biológico más conveniente sólo se puede hacer después de analizar las características del efluente, el tipo de proceso industrial que lo genera, el grado de depuración requerido y las necesidades globales del cliente. Condorchem Envitec dispone de una vasta experiencia en el diseño, fabricación, instalación, puesta en marcha y explotación de depuradoras biológicas, tanto aerobias como anaerobias, adaptadas a las necesidades particulares de sus clientes.

Existen configuraciones singulares que aúnan las ventajas de unos y otros sistemas. Es el caso del reactor BioCarb®, el cual es un modelo exclusivo patentado por Condorchem Envitech y se basa en el desarrollo de un reactor aeróbico de lecho fijo cuyo material de relleno es carbón lignítico granulado. El carbón filtra, adsorbe y hace de soporte para la biopelícula, además de alimentar a los microorganismos de minerales y elementos traza. Por otro lado, el proceso de adsorción realiza una doble contribución al proceso al laminar los picos de carga de contaminantes y al hacer que el tiempo de residencia de los contaminantes en el interior del reactor aumente con lo que es posible la degradación de compuestos orgánicos persistentes. El reactor BioCarb® se ha demostrado especialmente efectivo en el tratamiento de contaminantes difíciles de biodegradar y con color. Además, la inmovilización de la biomasa en la superficie del carbón lignítico permite realizar en una sola etapa un tratamiento biológico y fisicoquímico de las aguas residuales.

En lo que respecta a los sistemas anaerobios, la amplia experiencia de Condorchem Envitech ha llevado a la utilización de tecnologías como el UASB (reactor anaerobio de flujo ascendente y manto filtrante), el RAFAC ® (reactor anaerobio de flujo ascendente de contacto) y el RAC® (reactor anaerobio de contacto), todas ellas caracterizadas por su elevada eficacia, al producir efluentes cristalinos y transformando la materia orgánica en biogás y en fertilizante orgánico estabilizado.

Buenas prácticas en el uso de aguas regeneradas

La utilización de aguas regeneradas es una práctica muy recomendable para aquellas zonas que tienen problemas de abastecimiento, ya sean temporales (durante determinados momentos del año) o constantes, debido a una climatología poco favorable para la obtención de agua.

Ahora bien, estos sistemas de regeneración y reutilización del agua deben operar de forma que garanticen que el uso de las aguas regeneradas no supone ningún riesgo sanitario o medioambiental. En definitiva se trata de limitar al mínimo los posibles impactos negativos del proceso y potenciar al máximo los aspectos positivos de la reutilización de los recursos hídricos.

Para ello es importante implantar un modelo de buenas prácticas en:

• Líneas de saneamiento, regeneración y reutilización.
• Regeneración de aguas residuales depuradas.
• Uso del agua regenerada.
• Seguimiento de agua aplicada y del producto.
• Análisis y control.

Otro aspecto fundamental es garantizar la disponibilidad de esta agua regenerada en la cantidad y condiciones requeridas por los usuarios siempre que sea posible. En este sentido cobran especial importancia aspectos como:

• Garantizar un agua de calidad.
• Establecer un marco legal claro y aceptado por todas las partes.
• Fijar unos precios asequibles y que no provoquen excesivas desigualdades entre usuarios.
• Planificar a largo plazo para garantizar la disponibilidad del recurso.
• Garantizar la seguridad del entorno y de los usuarios.
• Establecer sistemas de control adecuados.
• Etc.

A continuación os dejamos un enlacea un amplísimo manual de buenas prácticas de uso de aguas regeneradas elaborado por la AEAS (Asociación Española de Abastecimiento de Aguas y Saneamiento) en el año 2011, en el que se abordan en detalle todos estos temas.

http://imagenes.rbi.es/tecnologia_agua/boletin_noticias/2013/01%20enero/Manual_reutilizacion.pdf

Procesos de membranas para el tratamiento de aguas residuales

Los procesos de membrana son procesos de difusión física de partículas en el agua. Funcionan debido a que determinadas clases de membranas permiten el paso a través de ellas de partículas con unas características particulares, mientras que impiden el paso de aquellas que no poseen esas mismas características.

Actualmente existen muy diversas clases de membranas, que permiten el paso de unos solutos u otros en función de su naturaleza, carga iónica o tamaño. Los principales son:

  • Electrodiálisis
  • Electrodiálisis reversible
  • Ósmosis inversa

ELECTRODIÁLISIS

Consiste en la eliminación de iones cargados eléctricamente y que se encuentran disueltos en el agua. Para llevar a cabo esta eliminación se introduce en el agua alimento un par de electrodos de distinta carga eléctrica de manera que los iones disueltos serán atraídos por los electrodos de distinto signo al suyo propio. Por este procedimiento se logra desplazar los iones de un lugar a otro de la disolución.

Es fundamental el empleo de membranas selectivas aniónicas y catiónicas alternativamente para que el agua alimento vaya perdiendo iones negativos y positivos tras su paso por la zona de separación.

Lo interesante es colocar las membranas alternativamente de tal modo que en unos canales se concentren los solutos, en un agua que se denomina concentrado, y en otros canales circule el agua alimento que va perdiendo poco a poco sus contaminantes hasta salir del proceso con una concentración de sales muy baja.

ELECTRODIÁLISIS REVERSIBLE

En este caso se alteran periódicamente las polaridades de los electrodos de manera que los flujos de agua cambian temporalmente de sentido, pasando a recibir agua depurada aquellos conductos que transportaban el concentrado y al revés.

Este método elimina el riesgo de formación de precipitados, incrustaciones y obstrucción de las membranas, ya que el cambio periódico del sentido del flujo del agua colabora en la limpieza de conducciones y membranas, además de evitar la aparición de limos y otros depósitos en la planta.

OSMOSIS INVERSA

La ósmosis inversa aprovecha el procedimiento por el cual, a través de una membrana semipermeable se tienden a igualar los potenciales químicos de dos diluciones situadas una a cada lado de la membrana, y lo hace funcionar al revés.

Consiste en el bombeo del agua cargada con iones disueltos a un tanque en el que se le somete a una presión contra una membrana. Durante el proceso se transfiere agua de un lado a otro de la membrana, quedando los iones en el agua alimento de tal modo que se genera un concentrado en el agua que no ha pasado a través de la membrana y un caudal depurado con el agua que si ha pasado a través de la membrana.

El concentrado que se genera debe ser eliminado del contacto directo con la membrana para evitar que la concentración de iones vaya aumentando y llegue a precipitar sales en la superficie de la membrana, lo que provoca una pérdida de efectividad del proceso y un incremento de los gastos de mantenimiento. Igualmente es importante llevar a cabo tratamientos previos para evitar obstrucciones.

Como resultado estándar, la ósmosis inversa devuelve un 80% de agua depurada y un rechazo del 20%.