Aplicación del proceso AAO modificado en el tratamiento de aguas residuales domésticas de minas de carbón
Las aguas residuales domésticas en las minas de carbón provienen principalmente de comedores de personal, dormitorios, oficinas, lavanderías y baños, y el drenaje de las bañeras representa más del 55% del volumen total. El vertido de aguas de baño está relativamente concentrado, lo que provoca importantes fluctuaciones en el caudal. Caracterizado por una menor concentración orgánica y un mayor contenido de sólidos en suspensión (SS), el drenaje del baño difiere considerablemente de las aguas residuales domésticas típicas. Su patrón de descarga escalonado con otras corrientes de aguas residuales contribuye a una variabilidad sustancial en la calidad del agua.
La mayoría de las minas de carbón en China están ubicadas en áreas remotas donde los costos de transporte de lodos son altos. Por lo tanto, se deben seleccionar procesos de tratamiento con menor rendimiento de lodos. A medida que las minas se desarrollan y el número de personal aumenta, el flujo de aguas residuales a menudo excede la capacidad de diseño original, lo que requiere procesos con una gran adaptabilidad a los cambios en la calidad y cantidad del agua dentro de la misma huella. Bajo políticas ambientales cada vez más estrictas que exigen la reutilización total del efluente tratado con descarga cero, los procesos deben ofrecer una calidad del efluente alta y estable.
Actualmente, el proceso AAO (anaeróbico-anóxico-óxico) es la opción preferida en el tratamiento de aguas residuales municipales. Este artículo analiza la efectividad de la aplicación de un proceso AAO modificado (AAO + proceso portador suspendido) para aguas residuales domésticas de minas de carbón, en función de sus características únicas.
1. Proceso AAO modificado
El proceso AAO es la configuración de flujo más simple para la eliminación simultánea de nitrógeno y fósforo. Las bacterias filamentosas no pueden proliferar ampliamente en condiciones alternas anaeróbicas, anóxicas y aeróbicas, lo que evita la acumulación de lodos. No requiere adición de químicos, solo una mezcla suave en tanques anaeróbicos y anóxicos, lo que resulta en bajos costos operativos. El lodo tiene un alto contenido de fósforo, lo que le confiere un buen valor fertilizante.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >En un 200%, este reciclaje interno consume una cantidad significativa de energía. El efluente que ingresa al clarificador secundario debe mantener un cierto nivel de oxígeno disuelto (OD) para evitar condiciones anaeróbicas y la liberación de fósforo, pero no demasiado alto para evitar interferir con la desnitrificación en el tanque anóxico a través del licor mezclado reciclado.
El Proceso AAO Modificado (AAO + Proceso de Transportista Suspendido) mitiga efectivamente estos inconvenientes. Aumenta la masa microbiana en los tanques biológicos, mejora la carga volumétrica, logra una separación completa del tiempo de retención hidráulica (HRT) y el tiempo de retención de lodos (SRT), fortalece la resiliencia a las cargas de choque hidráulicas y orgánicas, ofrece buena calidad de efluente incluso con fuentes bajas en carbono, produce menos lodos y más estables (lo que reduce los requisitos de capacidad de manejo de lodos aguas abajo). El efluente puede cumplir con los estándares de calidad del agua de "La reutilización del agua de reciclaje urbano-Estándar de calidad del agua para agua miscelánea urbana" (GB/T 18920-2020) y el "Código para el diseño de ingeniería de preparación de carbón" (GB 50359-2016) para el lavado de carbón. Hou Feng et al. aplicó el proceso de portador suspendido AAO+ en una planta de tratamiento de aguas residuales subterránea, logrando estándares de Grado 1A según el "Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales" (GB 18918-2002), con indicadores clave (DQO, DBO5, NH3-N, TP) alcanzando los estándares de Clase IV según los "Estándares de calidad ambiental para aguas superficiales" (GB 3838-2002). Hao Ruigang et al. utilizó "Oxidación por biocontacto A/O + Floculación en espiral perforada + Sedimentación en tubo inclinado + Filtración activa de arena" en la expansión de una planta de aguas residuales domésticas de una mina de carbón, logrando una calidad del efluente mejor que el Grado 1A. Yan Ziyu et al. También logró buenos resultados utilizando procesos de biopelículas para modernizar el tratamiento de aguas residuales domésticas de minas de carbón existentes. El proceso AAO modificado permite aumentar la capacidad y mejorar la calidad del efluente en las plantas existentes con modificaciones mínimas.
Este proceso implica agregar portadores suspendidos a los tanques anóxicos y aeróbicos, combinando las ventajas de los procesos de lodos activados y biopelículas. Presenta una alta carga volumétrica, gran biomasa, alta eficiencia de tratamiento, gran adaptabilidad a la industria química, estabilidad mejorada del proceso y buena eliminación de nutrientes. Forma biopelículas activas altamente especializadas, lo que aumenta la eficiencia por volumen del reactor y la estabilidad, lo que permite reactores más pequeños. El lodo de biopelícula desprendida contiene más protozoos/metazoos, tiene mayor densidad y mayor tamaño de partículas, lo que resulta en una buena sedimentabilidad y una fácil separación de sólidos-líquidos. Permite una separación completa de SRT-HRT, elimina la acumulación de lodos y es adecuado para aguas residuales ricas en compuestos orgánicos solubles.
2.1 Estudio de caso
Una mina de carbón en la ciudad de Yan'an, aproximadamente a 16 km de la ciudad de Zichang, tiene una planta de tratamiento de aguas residuales domésticas con una capacidad de diseño de 1200 m³/d. El proceso es: “Pantalla + Tanque de Igualación + AAO con Portadores Suspendidos + Tratamiento Avanzado (Coagulación-Sedimentación-Filtración) + Desinfección". El tratamiento de lodos se realiza mediante "Espesamiento por gravedad + Deshidratación por prensa de tornillo". El efluente cumple con los límites más estrictos de *GB/T 18920-2020* y GB 50359-2016 para agua de lavado de carbón. El agua tratada se reutiliza para el Greenery de la mina y como agua de reposición en la planta de preparación de carbón. La calidad del afluente/efluente del diseño está enTabla 1. El flujo del proceso se muestra enFigura 1.
Las aguas residuales pasan a través de una pantalla (espacio de 5 mm, ángulo de instalación de 75 grados) hacia un tanque de ecualización (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, profundidad efectiva 2,95 m, volumen 247,8 m³, HRT 4,13 h), que cumple con los requisitos de GB 50810-2012. Dos mezcladores evitan la sedimentación. Tres bombas sumergibles (2 de servicio +1 de reserva, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) elevan el agua a los tanques biológicos.
El sistema biológico consta de dos trenes paralelos. Por tren:
- Tanque anaeróbico: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, profundidad efectiva 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Tanque anóxico: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, profundidad efectiva 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Tanque aeróbico: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, profundidad efectiva 4,0 m, HRT 10,0 h. El HRT total del sistema es 15,75 h. En el tanque aeróbico se instalan soportes suspendidos (relación de llenado del 80%, superficie específica 600 m²/m³). La relación de diseño-a-agua es de 13,7:1. Se utilizan tres sopladores Roots (2 de servicio +1 en espera, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa). La proporción de reciclaje de lodos es del 100 %, la proporción de reciclaje de licores mezclados es del 200 %.
Dos clarificadores secundarios de entrada/salida-periféricos rectangulares (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m cada uno) tienen una tasa de carga superficial de 1,2 m³/(m²·h) y un HRT de 2,5 h.
Un purificador de agua integrado (que combina coagulación, sedimentación y filtración) proporciona un tratamiento avanzado para una mayor eliminación de SS y fósforo.
El tratamiento de lodos incluye espesamiento por gravedad (tanque de acero al carbono de Φ2,5 m×5,0 m) seguido de deshidratación con prensa de tornillo. La poliacrilamida (PAM) se dosifica a razón de 3,0 a 5,0 kg/t de sólidos secos antes de la deshidratación. La torta de lodo deshidratada diaria es inferior o igual a 150 kg con un contenido de humedad inferior o igual al 80 %, transportada fuera-sitio.
La desinfección utiliza un-generador de ClO2 in situ (dosis efectiva de cloro de 120 g/h) dosificado en la entrada del pozo transparente. El pozo claro tiene un volumen efectivo de 250 m³, lo que proporciona un tiempo de contacto de 4,2 h.
La planta está equipada con un amplio monitoreo en línea (medidores de flujo, cloro residual, pH, OD, DQO, turbidez, nivel/concentración de lodos) y sistemas de control automatizados para bombas, sopladores, retrolavado, dosificación y mezcla de productos químicos, lo que garantiza un funcionamiento inteligente y sin supervisión.
2.2 Análisis de desempeño
La planta completó su puesta en marcha en 2021 y ha estado en funcionamiento durante más de dos años. La calidad real del afluente/efluente en 2024 se muestra enTabla 2.
La relación DBO5/N afluente es 5,5, lo que indica aguas residuales con una proporción baja de carbono-a-nitrógeno (C/N), que disminuye aún más en verano debido a la infiltración de las lluvias y los cambios de hábitos. Las temperaturas extremas del invierno en Yan'an pueden alcanzar los -21 grados. La calidad real del efluente es mejor que la del diseño, con tasas de eliminación que alcanzan: DQO 97,8%, DBO5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, cumpliendo con los estándares para lavado de carbón y carbón.
La masa activa de biopelícula en los tanques anóxicos/aeróbicos llega a 125 g/m² de portador, equivalente a MLSS de 13 g/L-cuatro veces la del lodo activado convencional. Los microorganismos se encuentran en la fase de respiración endógena, lo que da como resultado una producción diaria de lodos de aproximadamente 1/3 de los métodos convencionales, con mejor sedimentabilidad, lo que permite equipos de tratamiento de lodos más pequeños.
Aunque la oxidación por bio-contacto puede funcionar sin reciclaje de lodos, la investigación realizada por Xiong Ren et al. muestra que los sistemas con reciclaje logran mayores tasas de eliminación de DQO, TN, NH3-N, SS y reducen el rendimiento de lodos en un 29,6%. Este diseño incorpora reciclaje de licores mixtos, con flexibilidad operativa basada en la calidad del efluente.
La planta (1200 m³/d) ocupa 1350,3 m², con una inversión de capital de 20 millones de CNY y un coste operativo de 1,05 CNY/m³.
En comparación con la AAO convencional, que requiere SRT extendida para un funcionamiento eficaz a baja-temperatura, este proceso modificado conserva la simplicidad de la eliminación simultánea de nutrientes al tiempo que enriquece la comunidad biológica con portadores. La separación SRT-HRT mejora la bio-estabilidad, asegurando un funcionamiento confiable en condiciones de baja C/N y baja-temperatura. Se puede mantener un efluente estable con poco o ningún reciclaje de lodos, lo que permite reducir los lodos in situ y reducir los costos de manipulación de los mismos. Su simplicidad y falta de volumen lo hacen muy adecuado para el tratamiento de aguas residuales domésticas de minas de carbón.
3. Investigación de optimización para el proceso AAO
Los procesos de AAO modificados generalmente se diseñan según los parámetros del "Estándar para el diseño de ingeniería de aguas residuales al aire libre" (GB 50014-2021). Sin embargo, es necesaria la optimización de los parámetros operativos (HRT, SRT, aireación, índices de reciclaje, MLSS) específicos de las aguas residuales de las minas de carbón para identificar las condiciones óptimas para el diseño y la operación futuros.
En la AAO convencional, el lodo se recicla del tanque aeróbico al anaeróbico, transportando nitrato y alto contenido de OD, lo que puede afectar la eliminación biológica de fósforo. Se puede considerar el proceso de la Universidad de Ciudad del Cabo (UCT), donde el lodo se recicla al tanque anóxico, el licor nitrificado al tanque anóxico y se agrega un reciclaje adicional del tanque anóxico al anaeróbico para mejorar la eliminación del bio-P.
El tratamiento de lodos puede representar entre el 50% y el 60% del coste operativo de una planta. Deben adoptarse tecnologías de reducción de lodos in situ. El alto MLSS en los bio-biotanques de AAO modificados conduce a una alta relación F/M, donde puede ocurrir un metabolismo desacoplado, lo que promueve la reducción de lodos y reduce los costos de manejo de lodos. La atención futura debería centrarse en la aplicación de tecnologías de reducción in-in situ, como el crecimiento críptico mediante micro-lisis, el proceso anaeróbico-de sedimentación óxica- (OSA) y el desacoplamiento del metabolismo en el tratamiento de aguas residuales de las minas de carbón.
Este proceso es adecuado para modernizar plantas AAO existentes en minas de carbón. Agregar portadores a los tanques anóxicos/aeróbicos puede mejorar la calidad del efluente, aumentar la capacidad y mejorar la estabilidad del sistema. Para plantas con requisitos de efluentes más estrictos, reemplazar el clarificador secundario con un sistema MBR puede mejorar aún más la calidad del agua.
4. Conclusión
- El proceso AAO modificado es adecuado para actualizar los sistemas AAO existentes en minas de carbón para mejorar la estabilidad, aumentar la capacidad o cumplir con estándares más estrictos.
- Al tratar las aguas residuales domésticas de las minas de carbón, el efluente puede cumplir simultáneamente con los estándares *GB/T 18920-2002* para riego de carreteras/verdes y con los estándares GB 50359-2016 para agua de lavado de carbón, lo que demuestra una gran adaptabilidad a los cambios en la calidad y cantidad del agua.
- El proceso produce lodos estables con buena sedimentabilidad y fácil separación, genera menos lodos y reduce los costos de tratamiento de lodos.