Fundamentos técnicos y gestión operativa de una cuenca de aireación con soplador de carga-baja
1. Descripción general
1.1 Principio de funcionamiento de los tanques de aireación con soplador
La aireación por soplador, comúnmente utilizada en China, incluye principalmente los tipos de aireación difusa, en espiral y microporosa. Un estanque de aireación normalmente comprende un sistema de aireación, la estructura del estanque y puertos de entrada/salida, que sirven como estructura clave en el tratamiento de aguas residuales de lodos activados. Los métodos de aireación comunes son la aireación mecánica y por soplador. Los sistemas de aireación con sopladores generalmente constan de aireadores y sopladores especializados. Las cuencas a menudo se dividen en múltiples compartimentos, cada uno de ellos capaz de alimentar un afluente independiente. Las aguas residuales entran al depósito y salen por el extremo opuesto. Durante este proceso, el aire se envía a través de compresores a los difusores en el fondo del lavabo y se libera en forma de burbujas.
1.2 Investigación relacionada sobre cuencas de aireación con sopladores
La investigación de Cheng Dandan et al. descubrió que en las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales (PTAR) de China, los ventiladores consumen aproximadamente el 60% de la energía total. La integración del sistema de aireación con un control de circuito cerrado-PID inteligente para oxígeno disuelto (OD) y la implementación de estrategias de ahorro de energía-de sopladores pueden abordar eficazmente el alto consumo de energía en los sistemas de aireación de EDAR, reduciéndolo en más de un 30 %.
Liu Xiaoqi et al. Emplearon aireadores de flujo disperso para aumentar el contenido de oxígeno en las aguas residuales durante el tratamiento y al mismo tiempo reducir el consumo de energía. Esto también logró una mezcla y distribución uniforme de agua-aire, lo que redujo el requisito de precisión para la nivelación de la instalación del aireador.
Chang Kai et al. Se mejoró el rendimiento del sistema de cuenca de aireación convencional modificando el modo de recolección de aire original. Reemplazaron los aireadores microporosos tradicionales con aireadores microporosos de placa de silicona-de alta eficiencia de transferencia de oxígeno y sustituyeron los lavabos de aireación de flujo recto-de un solo paso-por lavabos de flujo serpentino de tres-pasos. La incorporación de un control de aireación preciso mejoró aún más el sistema, solucionando problemas de alto consumo de energía, baja eficiencia y mala transferencia de masa en los métodos tradicionales de aireación con sopladores.
1.3 Gestión operativa de cuencas de aireación con sopladores
Los estanques de aireación con soplador se utilizan ampliamente en el tratamiento de aguas residuales. Siguiendo el principio de "tratamiento separado para diferentes flujos de residuos", una unidad de tratamiento de aguas residuales salinas de una PTAR específica maneja principalmente aguas residuales de desalinización eléctrica provenientes de destilación al vacío-atmosférica, agua purificada por extracción, aguas residuales de neutralización por alquilación y algunos sobrenadantes y efluentes de alta-salinidad. Esta unidad cuenta con un sistema de tratamiento biológico de tres-etapas, con el tanque de aireación del soplador como etapa secundaria. Su demanda química de oxígeno (DQO) promedio del afluente está constantemente por debajo de 100 mg/L, lo que lo clasifica como un proceso de lodos activados de baja-carga. Más allá de las actualizaciones de equipos, mantener un funcionamiento óptimo requiere un control y ajuste cuidadosos de los parámetros del proceso.
2. Descripción general de las instalaciones
2.1 Flujo del proceso de la unidad de tratamiento de aguas residuales salinas
La unidad emplea un proceso de "Ecualización + Separación de aceite + Flotación en dos-etapas + Tratamiento biológico en tres-etapas", en el que el efluente tratado se envía a una unidad de pulido. El separador de aceite utiliza un diseño combinado de flujo horizontal y placa inclinada. Las dos etapas de flotación utilizan flotación de aire por cavitación de vórtice (CAF) y flotación de aire disuelto presurizado de reflujo parcial (DAF), respectivamente. Las tres etapas biológicas son secuenciales: Tanque de aireación de oxígeno puro III, Tanque de aireación con soplador y Tanque bioquímico secundario (EM-BAF). El flujo del proceso se muestra enFigura 1.
2.2 Descripción del recipiente de aireación del soplador
El estanque de aireación del soplador es una instalación reutilizada construida originalmente en 1995 como parte de una unidad de tratamiento de aguas residuales aceitosas. Utiliza un diseño de aireación de flujo tapón- tradicional con un volumen efectivo de 3.888 m³ y un tiempo de retención hidráulica (HRT) actual de aproximadamente 17,6 horas. La cuenca circula en dos trenes paralelos, cada uno con cuatro compartimentos. En la parte inferior se instalan aireadores, alimentados por ventiladores centrífugos para proporcionar oxígeno para el metabolismo de los lodos activados. También está equipado con dos clarificadores secundarios (Φ18m x 5m).
Dentro del sistema biológico de tres-etapas:
- Etapa 1 (Tanque de aireación de oxígeno puro III): La función principal es la eliminación de DQO.
- Etapa 2 (tanque de aireación del soplador): La función principal es la eliminación del nitrógeno amoniacal (NH₃-N), la función secundaria es la eliminación adicional de DQO.
- Etapa 3 (tanque bioquímico secundario - EM-BAF): Funciona para pulir aún más la DQO y el NH₃-N efluentes, asegurando la calidad final del agua.
2.3 Calidad del afluente y efluente de la cuenca de aireación del soplador
El afluente al estanque de aireación del soplador proviene del Tanque de Aireación de Oxígeno Puro III, con límites de contaminantes: CODcr Menor o igual a 300 mg/L, NH₃-N Menor o igual a 30 mg/L, Sólidos Suspendidos (SS) Menor o igual a 50 mg/L.
Su efluente alimenta el Tanque Bioquímico Secundario, con límites: DQOcr Menor o igual a 120 mg/L, NH₃-N Menor o igual a 30 mg/L, SS Menor o igual a 50 mg/L.
El efluente final del Tanque Bioquímico Secundario deberá cumplir con: CODcr Menor o igual a 70 mg/L, Petróleo Menor o igual a 5 mg/L, NH₃-N Menor o igual a 3 mg/L.
A lo largo de 2021, la CODcr promedio del afluente de la cuenca fue de 67,094 mg/L y el NH₃-N promedio fue de 23,098 mg/L, ambos cumpliendo con los requisitos de diseño. Sin embargo, la DQO notablemente baja del afluente provocó una deficiencia de la fuente de carbono del lodo activado, lo que afectó su metabolismo normal. Por el contrario, una cantidad suficiente de nitrógeno amoniacal y una baja concentración de contaminantes orgánicos en el licor mezclado favorecieron la nitrificación, que se desarrolló eficazmente.
3. Factores operativos que influyen y medidas de control
3.1 Impacto de la baja carga del afluente y el envejecimiento de los lodos
Con una DQO del afluente de 67,094 mg/L-por debajo del límite de diseño (menor o igual a 300 mg/L) y de la demanda de carbono microbiano (aproximadamente. 100 mg/L de DBO₅)-el lodo activado experimentó una deficiencia en la fuente de carbono. La baja carga dio como resultado un crecimiento lento del lodo, haciéndolo propenso a envejecer y formar una estructura suelta. Los lodos muertos y envejecidos formaron espuma flotando en la superficie del clarificador secundario. Al carecer de equipo de recolección de espuma, esta espuma fluyó con el efluente, causando turbidez, excediendo los límites de DQO y SS, y posteriormente sobrecargando el Tanque Bioquímico Secundario aguas abajo, afectando la calidad final del efluente.
Contramedida: El equipo operativo controló la concentración de Sólidos Suspendidos de Licores Mixtos (MLSS). Utilizando una probeta graduada de 1000 ml para la prueba del índice de volumen de lodos (SVI) de 30 minutos, mantuvieron el SVI alrededor del 20 %, correspondiente a un MLSS de aproximadamente 2 g/L. Esta eficiencia equilibrada de eliminación de contaminantes evita el envejecimiento de los lodos, su flotación y el deterioro de la calidad del agua. El lento crecimiento de lodos significó un desperdicio mínimo e infrecuente de lodos, lo que permitió a las bacterias nitrificantes un tiempo de residencia superior a su tiempo mínimo de generación, promoviendo aún más la nitrificación.
3.2 Impacto del control del oxígeno disuelto (OD)
Los microorganismos en el lodo activado son principalmente aeróbicos y normalmente requieren OD entre 1-3 mg/L. Los estándares corporativos establecen el rango de OD para los tanques de aireación de flujo pistón tradicionales en 2-4 mg/L, y la nitrificación requiere OD generalmente no por debajo de 2,0 mg/L. La baja carga actual del afluente y una mayor concentración de MLSS redujeron la demanda de OD, lo que hizo que el control fuera un desafío. Mantener la mezcla completa a menudo elevaba la OD por encima de 4 mg/L, mientras que controlar la OD dentro del rango objetivo a veces conducía a una mezcla inadecuada en algunas áreas, lo que provocaba la sedimentación de lodos.
Además, un alto OD acelera la descomposición de la materia orgánica, exacerbando el envejecimiento de los lodos. Por tanto, en la práctica, la OD se controla en torno a 3 mg/L. Además, todas las válvulas de aire se ajustan aproximadamente mensualmente para mejorar la uniformidad de la mezcla, reactivar los flóculos inactivos y mantener la biomasa activa.
3.3 Impacto de la temperatura del agua
La temperatura afecta significativamente la actividad microbiana. Las temperaturas adecuadas favorecen la actividad, mientras que las bajas temperaturas la inhiben o la reducen, y las altas temperaturas pueden alterar la fisiología o provocar la muerte. En este sistema, las bacterias termófilas son los principales grupos funcionales. Para la seguridad del sistema, la temperatura normalmente se mantiene entre 15 y 35 grados, aunque el rango adecuado es entre 10 y 45 grados. Superar los 30 grados puede desnaturalizar las proteínas nitrificantes, reduciendo su actividad. El lodo activado contiene bacterias nitrificantes y degradantes de DQO-, y la nitrificación tiene un rango óptimo más estrecho de 5 a 30 grados.
El afluente de aguas residuales salinas contiene corrientes de alta-temperatura. Los incidentes anteriores involucraron días consecutivos en los que la temperatura del afluente superó los 40 grados, lo que provocó la desintegración del lodo, la muerte de los degradadores y nitrificadores de DQO-y el colapso del sistema. Posteriormente, se instaló un termómetro en la línea de efluentes del tanque de ecualización para controlar estrictamente que la temperatura de descarga no exceda los 40 grados, cumpliendo con los requisitos de temperatura de lodos. En 2021 no se produjeron incidentes similares que afecten a la nitrificación.
3.4 Impacto de la alcalinidad
De acuerdo con las normas empresariales pertinentes, cuando se utiliza lodo activado para la eliminación de amoníaco, la proporción entre la alcalinidad total del afluente y el nitrógeno amoniacal no debe ser inferior a 7,14; de lo contrario, se debe complementar la alcalinidad. Con un afluente de NH₃-N de diseño de 30 mg/L y un promedio real de 23,098 mg/L, la alcalinidad total requerida no es inferior a 214,2 mg/L. Actualmente, la alcalinidad del afluente es insuficiente, lo que requiere la adición diaria de carbonato de sodio (Na₂CO₃) para satisfacer las demandas del proceso.
3.5 Impacto del pH y las sustancias tóxicas
Activated sludge microorganisms thrive in a pH range of 6.5–8.5. Below pH 4.5, protozoa largely disappear, most microbial activity is inhibited, fungi become dominant, floc structure is destroyed, and sludge bulking can occur. Above pH 9, metabolism is severely affected, causing floc disintegration and bulking. Wastewater with pH >10 o<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
El metabolismo microbiano aeróbico puede amortiguar moderadamente los cambios de pH. Por ejemplo, la utilización de compuestos de nitrógeno puede reducir el pH durante la nitrificación, mientras que la descarboxilación produce aminas alcalinas, lo que eleva el pH. Esto permite una aclimatación-a largo plazo a aguas residuales ligeramente ácidas/alcalinas. La alcalinidad inherente de las aguas residuales también ayuda a inhibir la caída del pH.
Sin embargo, los cambios drásticos del pH (p. ej., entrada repentina de alcalinos en un sistema ácido) afectan significativamente a los microbios y pueden alterar el funcionamiento. Por tanto, la necesidad de neutralización depende del caso específico. Es posible que las fluctuaciones menores y constantes del pH, especialmente con ácidos/bases débiles, no requieran neutralización. Las fluctuaciones mayores requieren un ajuste del pH a neutro.
Las bacterias nitrificantes son muy sensibles al pH-, con una nitrificación óptima entre 7,2 y 8,0, mientras que los microbios en general prefieren entre 6,5 y 8,5. Para aguas residuales industriales específicas, los tipos de sustancias tóxicas suelen ser fijos, pero las concentraciones y los volúmenes de descarga fluctúan. Además de la ecualización, se deben monitorear y controlar los niveles de sustancias tóxicas entrantes. Después de la aclimatación de los lodos, se debe establecer un límite máximo de concentración del afluente en función del grado de aclimatación y la experiencia operativa. Un exceso prolongado requiere medidas como reducir el flujo entrante, aumentar el reciclaje de lodos o mejorar la oxigenación para prevenir el envenenamiento microbiano y el fracaso del tratamiento. Actualmente, no se han detectado sustancias tóxicas que causen intoxicación microbiana en el afluente de la cuenca.
3.6 Impacto de las cargas de choque afluentes
La DQO afluente se mantiene establemente baja con fluctuaciones menores, y el NH₃-N y el nitrógeno total (TN) también se mantienen dentro de rangos relativamente estables durante largos períodos. La población de nitrificantes permanece relativamente fija. Sin embargo, debido a su lenta tasa de crecimiento, un aumento repentino y significativo del NH₃-N o TN afluente puede saturar la capacidad de eliminación de la cuenca, comprometiendo la calidad del NH₃-N y TN efluente.
Teóricamente, la demanda microbiana de N y P sigue una relación DBO₅:N:P de 100:5:1. Sin embargo, el contenido de N y P varía mucho según el tipo de aguas residuales industriales. Algunas aguas residuales tienen un alto contenido de N y P, por lo que es necesario eliminarlas para cumplir con las normas. Otros son deficientes y requieren suplementación para evitar limitar el metabolismo. Para las cuencas operativas que tratan aguas residuales con bajo contenido de N/P, los niveles de afluente de aproximadamente 10 mg/L de NH₃-N y 5 mg/L de fosfato pueden satisfacer las necesidades microbianas. Los niveles prolongados por debajo de estos requieren una mayor dosis de N/P.
La operación diaria requiere un monitoreo cercano de NH₃-N y TN en todas las corrientes entrantes y el efluente del tanque de ecualización, así como en los flujos de reciclaje de los tanques de ajuste, para evitar sobrecargar la unidad de pulido aguas abajo y amenazar la seguridad del agua de descarga final.
4. Conclusión
Como reactor central de nitrificación en la unidad de tratamiento de aguas residuales salinas, el estanque de aireación del soplador requiere un estrecho control diario de la temperatura del agua, el NH₃-N y el TN afluentes. Es esencial un control estricto de la concentración de MLSS, mantener el OD alrededor de 3 mg/L y garantizar una adición adecuada de alcalinidad. Bajo estas medidas optimizadas, el sistema funciona de manera estable con una excelente calidad del efluente: DQO promedio de 54,213 mg/L, NH₃-N de 9,678 mg/L y SS de 23,849 mg/L, cumpliendo plenamente con los requisitos de afluente del tanque bioquímico secundario. Las pruebas continuas, el resumen y la optimización desde múltiples aspectos también son cruciales para garantizar aún más la confiabilidad del equipo y la eficiencia del tratamiento del sistema.