Estudio de caso del proceso MBBR+ACCA para la mejora y reconstrucción de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas
En el contexto de la floreciente economía de China, el ritmo de industrialización y urbanización se ha acelerado significativamente. Este proceso va inevitablemente acompañado de un aumento año-tras-año en la descarga de aguas residuales industriales y domésticas, lo que exacerba los problemas de contaminación del agua y afecta la construcción de una civilización ecológica sostenible en China. Con la implementación integral del Plan de Acción para la Prevención y el Control de la Contaminación del Agua, se han impuesto requisitos de descarga más estrictos a las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas en todo el país. Los estándares locales en algunas ciudades han alcanzado una calidad del agua casi-Clase IV, y para los efluentes vertidos en cuerpos de agua sensibles, ciertos indicadores individuales se están acercando gradualmente al estándar Clase III para aguas superficiales. Sin embargo, los contaminantes residuales en las aguas residuales urbanas después del tratamiento biológico son principalmente compuestos orgánicos no-biodegradables con baja biodegradabilidad. Depender únicamente de las tecnologías tradicionales de mejora biológica se ha vuelto insuficiente para cumplir con los estándares de emisiones cada vez más estrictos.
El coque activado posee un sistema mesoporoso altamente desarrollado capaz de adsorber contaminantes macromoleculares en el agua. Con alta resistencia mecánica, estabilidad, buen rendimiento de adsorción y costo relativamente económico, se ha aplicado ampliamente en el tratamiento de aguas residuales industriales difíciles de biodegradar. En los últimos años, la tecnología de filtración utilizando coque activado como medio también ha encontrado ciertas aplicaciones en el tratamiento avanzado de plantas de aguas residuales municipales, consiguiendo buenos resultados en la eliminación definitiva de contaminantes. Combinando un ejemplo de ingeniería de un proyecto de mejora en una planta de tratamiento de aguas residuales en la provincia de Henan, el autor adoptó el proceso MBBR+ACCA (adsorción circulante de coque activado) para mejorar el tratamiento de las aguas residuales urbanas. Los indicadores de DQO, NH₃-N y TP del efluente cumplieron con el estándar de agua GB 3838-2002 Clase III, lo que proporciona una referencia para proyectos de mejora en otras plantas de tratamiento de aguas residuales.
1. Situación Básica de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales
La capacidad total de diseño de esta planta de tratamiento de aguas residuales es de 50.000 m³/d, comprendiendo una capacidad de diseño Fase I de 18.000 m³/d y una capacidad de diseño Fase II de 32.000 m³/d. Trata principalmente aguas residuales domésticas urbanas y una pequeña cantidad de aguas residuales industriales. En 2012 se completó una mejora y el efluente cumplió con el estándar de Grado 1A del Estándar de Descarga de Contaminantes para Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Municipales GB 18918-2002. El proceso principal es AO multietapa + filtro de desnitrificación + tanque de sedimentación de alta densidad. El flujo del proceso se muestra enFigura 1.
Actualmente, la planta de tratamiento de aguas residuales está funcionando casi a plena capacidad. Según los datos operativos actuales, con un buen mantenimiento de la planta, la calidad del efluente se puede mantener de manera estable en el estándar GB 18918-2002 Grado 1A. Las concentraciones de efluentes de DQO, DBO₅, NH₃-N, TN y TP varían de 21,77 a 42,34 mg/l, 1,82 a 4,15 mg/l, 0,13 a 1,67 mg/l, 8,86 a 15,74 mg/l y 0,19 a 0,42 mg/l, respectivamente.
Antes de la actualización, la planta enfrentaba los siguientes problemas: 1) Las pantallas envejecidas y dañadas en la sección de pretratamiento permitieron que algunos desechos flotantes ingresaran a los tanques biológicos, obstruyendo fácilmente las bombas y afectando el tratamiento posterior; 2) Eliminación inestable de TN durante las bajas temperaturas invernales y fluctuaciones significativas en la calidad y cantidad del agua; 3) Volumen de tanque insuficiente en los tanques biológicos de la Fase I y partición irrazonable de la zona anóxica, lo que lleva a una eficiencia deficiente en la eliminación de TN y a una alta dosis de productos químicos para la posterior adición de una fuente de carbono; 4) El sistema de aireación original utilizaba sopladores centrífugos tradicionales obsoletos con un alto consumo de energía; 5) Obstrucción grave del medio filtrante en los filtros de desnitrificación, retrolavado incompleto y dificultad en el funcionamiento estable; 6) Fallas frecuentes en los equipos de mezcla y agitación en los tanques de sedimentación de alta-densidad; 7) Fallas frecuentes de los dos filtros prensa de correa existentes para la deshidratación de lodos, alto contenido de humedad del lodo deshidratado, gran volumen de lodo y altos costos de eliminación de lodo; 8) Falta de instalaciones de control de olores para los sistemas de pretratamiento y tratamiento de lodos; 9) Sistema de control central obsoleto con capacidad limitada de almacenamiento de datos y pérdida de la mayoría de las funciones de operación remota.
2. Diseño de la calidad del agua
Considerando años de datos de calidad del agua operativa de la planta, con un nivel de confianza del 90% e incluyendo un cierto margen, se determinó la calidad del afluente de diseño. Según los requisitos de calidad ambiental del cuerpo de agua receptor, los efluentes mejorados DQO, DBO₅, NH₃-N y TP deben cumplir con el estándar de agua GB 3838-2002 Clase III, mientras que TN y SS cumplirán con el estándar original. Las cualidades de diseño del afluente y efluente se muestran enTabla 1.
3. Actualización del concepto y flujo del proceso
3.1 Concepto de actualización
De acuerdo con la calidad del efluente de diseño, esta actualización establece requisitos más altos para DQO, DBO₅, NH₃-N y TP. Teniendo en cuenta el proceso actual de la planta, las características de la calidad del agua y los problemas existentes, la atención se centra en una mejor eliminación de DQO, NH₃-N y TP, garantizando al mismo tiempo una eliminación estable de TN. Además, el espacio disponible limitado dentro de la planta existente requiere explotar plenamente el potencial de las estructuras existentes mediante la renovación de equipos, la intensificación de procesos y la renovación, con el objetivo de eliminar eficazmente DQO, NH₃-N, TN y TP. Por lo tanto, utilizar los tanques AO de múltiples etapas originales y agregar portadores suspendidos para formar un proceso MBBR de lodo activado con biopelícula híbrida-puede mejorar efectivamente la estabilidad del tratamiento y la resistencia a la carga de impacto. La larga edad del lodo de la biopelícula sobre soportes es adecuada para el crecimiento de nitrificador y para mantener altas concentraciones de nitrificador, mejorando significativamente la capacidad de nitrificación del sistema. La densa biopelícula dentro de los transportadores tiene una larga edad de lodo y alberga poblaciones sustanciales de bacterias nitrificantes y desnitrificantes, lo que permite la nitrificación-desnitrificación simultánea (SND) y, por lo tanto, fortalece la eliminación de TN. Por lo tanto, el proceso MBBR es muy-adecuado para la actualización de esta planta.
Según una experiencia similar en proyectos de actualización, para garantizar un cumplimiento estable de DQO y TP, aún se requieren instalaciones de tratamiento de salvaguardia adicionales además del proceso existente junto con MBBR. El coque activado, como material poroso, exhibe un rendimiento de adsorción más significativo en comparación con el carbón activado, eliminando eficazmente DQO, SS, TP, color, etc. Además, el coque biológicamente activado puede utilizar microorganismos adheridos para degradar la materia orgánica, lo que permite la regeneración de los sitios de adsorción mientras absorbe contaminantes. Este mecanismo de equilibrio dinámico permite el funcionamiento sostenido y estable del sistema. El proceso de adsorción circulante de coque activado (ACCA) utiliza coque activado como medio, integrando filtración y adsorción. Emplea aire comprimido para levantar y limpiar el medio filtrante. A través de la zonificación de flujo inverso-y el diseño de flujo uniforme, garantiza un contacto total entre el coque activado y las aguas residuales, logrando la máxima mejora en la calidad del agua y garantizando un cumplimiento estable de los efluentes.
Los equipos viejos y defectuosos de la planta se reemplazarán con equipos tecnológicamente avanzados y energéticamente-eficientes para reducir los costos operativos. Específicamente, las mallas de pretratamiento se reemplazarán con mallas finas alimentadas internamente para interceptar el cabello y las fibras, evitando la obstrucción de las mallas de retención del portador MBBR.
3.2 Flujo del proceso
El flujo de proceso actualizado se muestra enFigura 2. Para cumplir con los requisitos de altura, se agregó una nueva estación de bombeo elevador. Un filtro tipo V- de nueva construcción sirve como unidad de pretratamiento para la posterior adsorción de coque activado, asegurando la estabilidad del sistema ACCA. El agua cruda pasa a través de rejillas y cámaras de arena para eliminar los elementos flotantes, el cabello y las partículas antes de ingresar a los tanques biológicos híbridos MBBR para mejorar la eliminación de nitrógeno. Luego, el licor mezclado ingresa a clarificadores secundarios para la separación de sólidos. El sobrenadante se eleva a través de la nueva estación de bombeo hacia filtros de desnitrificación y tanques de sedimentación de alta-densidad. Luego, la nueva estación de bombeo eleva el efluente al filtro tipo V-y a los tanques de adsorción de coque activado de dos-etapas para un tratamiento avanzado, eliminando aún más DQO, TP, SS, color, etc. El efluente final se desinfecta antes de la descarga.
4. Parámetros de diseño de las principales unidades de tratamiento
4.1 Tanques Biológicos
Los tanques biológicos existentes de la Fase I se dividen en dos grupos con un volumen de tanque relativamente pequeño pero con una estructura sólida. Por lo tanto, para esta mejora, cumpliendo con los requisitos de altura, las paredes del tanque se elevaron 0,5 m. Después de la renovación, el volumen efectivo total es de 10.800 m³, con un HRT total de 14,4 h y un HRT de zona anóxica de 6,4 h, aumentando el tiempo de retención anóxica para mejorar la eliminación de TN. Los tanques biológicos de Fase II existentes tienen un volumen efectivo de 19.600 m³, un HRT total de 14,7 h y un HRT de zona anóxica de 6,8 h. Este proyecto implicó reemplazar los sistemas de aireación y algunos mezcladores sumergibles obsoletos en los tanques biológicos de la Fase I y II, y agregar portadores suspendidos y pantallas de retención. Los soportes están hechos de poliuretano u otros materiales compuestos de alto-rendimiento, con una especificación cúbica de 24 mm, una superficie específica de 4000 m²/m³ y una proporción de llenado del 20 %. El AOR del sistema de tratamiento biológico es de 853,92 kg O₂/h, con un caudal de suministro de aire de 310,36 Nm³/min.
4.2 Estación de bombeo de elevación y tanque de aguas residuales
Se construyó una nueva estación de bombeo elevador para bombear el efluente desde los tanques de sedimentación de alta-densidad al filtro tipo V-para su posterior tratamiento. Un tanque de aguas residuales almacena las aguas residuales del retrolavado de los filtros. Se utilizan bombas pequeñas para bombear uniformemente las aguas residuales del retrolavado a los tanques biológicos de la Fase II para evitar cargas de choque. Se instalaron tres bombas de elevación secundarias (2 de servicio + 1 de reserva, Q=1,300 m³/h, H=12 m, N=75 kW), con control de variador de frecuencia (VFD). El tanque de aguas residuales de retrolavado está equipado con 2 bombas de transferencia (1 de servicio + 1 de reserva, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) y un mezclador sumergible (N=2.2 kW) para evitar la sedimentación.
4.3 Filtro tipo V-
Se construyó un nuevo filtro tipo V-con dimensiones estructurales de 36,9 m (L) × 29,7 m (W) × 8,0 m (H). Utiliza medios filtrantes homogéneos de arena de cuarzo. El filtro está dividido en 6 celdas dispuestas en dos filas. El tubo de salida de cada celda tiene una válvula reguladora eléctrica para controlar el funcionamiento con nivel constante de agua. El proceso de retrolavado se puede regular mediante PLC. La tasa de filtración de diseño es de 7,0 m/h, la tasa de filtración forzada es de 8,4 m/h y el área de filtración de una sola celda es de 49,4 m². La intensidad del agua de retrolavado es de 11 m³/(m²·h), la intensidad del aire de retrolavado es de 55 m³/(m²·h) y la intensidad del barrido de la superficie es de 7 m³/(m²·h). La duración del retrolavado es de 10 minutos. El ciclo de retrolavado es de 24 horas (ajustable), lavando una celda a la vez. El tamaño del medio de arena de cuarzo es 1-1,6 mm con k₈₀ < 1,3. Se utilizan placas filtrantes monolíticas fundidas in situ.
4.4 Tanques de Adsorción de Coque Activado
Se construyó un nuevo tanque de adsorción de coque activado con dimensiones estructurales de 49,5 m (L) × 30,15 m (W) × 11,0 m (H). Emplea una configuración de filtración de dos-etapas con un total de 36 celdas, 18 celdas por etapa. La tasa de filtración máxima es de 6,02 m³/(m²·h), con una media de 4,63 m³/(m²·h). Las dimensiones de la celda única-de la primera30.15etapa-son L×W×H=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, con un tiempo de contacto con el lecho vacío (EBCT) de 1,4 h. Las dimensiones de la celda única-de la segunda-etapa son L×W×H=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, con un EBCT de 1,08 h. El sistema utiliza 2.000 toneladas de coque activado con tamaño de partícula de 2-8 mm, equipado con lavadores de coque móviles, distribuidores de agua, vertederos de entrada/salida, etc.
4.5 Construcción de coque activado
Se construyó un nuevo edificio de coque activado para almacenar el coque activado y suministrarlo a los tanques de adsorción. Las dimensiones estructurales son 33,5 m (L) × 13,0 m (W) × 6,5 m (H). El equipo auxiliar principal incluye: 1 criba vibratoria de deshidratación de coque activado, 3 bombas de alimentación de coque (2 de servicio + 1 en espera, Q=40 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 2 bombas de descarga de filtrado (1 de servicio + 1 en espera, Q=120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 2 compresores de aire (1 de servicio + 1 en espera, Q=7.1 m³/min, N=37 kW) y un tanque receptor de aire (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Sala de deshidratación de placas-y-marcos
Se construyó una nueva sala de deshidratación de placas-y-marcos junto a la sala de deshidratación de lodos existente. Debido a limitaciones de espacio, se configuró un conjunto de filtro prensa de placa-y-marco (área de filtro de 300 m²), que sirvió como respaldo del filtro prensa de correa. Las instalaciones auxiliares incluyen un tanque de acondicionamiento (volumen efectivo 80 m³). La cantidad de lodo es de 6.150 kg DS/d, con un contenido de humedad del lodo de alimentación espesado del 97 % y un contenido de humedad de la torta deshidratada del 60 %. El equipo auxiliar principal incluye: 2 bombas de alimentación (1 de servicio + 1 en espera, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 bombas de agua de prensa (1 de servicio + 1 en espera, Q=12 m³/h, H=187 m, N=11 kW), 1 bomba de lavado (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 bombas dosificadoras (1 de servicio + 1 en espera, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 compresor de aire (Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 1 juego de tanque receptor de aire (V=5 m³, P=1.0 MPa) y 1 juego de unidad de preparación de PAM (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 Sistema de control de olores
Se añadió un nuevo sistema de control de olores por biofiltración con un caudal de aire de diseño de 12.000 m³/h. Las tuberías de plástico reforzado con vidrio (GRP) se utilizan para recoger y tratar los olores de los sistemas de pretratamiento y tratamiento de lodos. Se utilizan marcos de acero inoxidable y tableros de resistencia de PC para sellar los equipos de pretratamiento.
4.8 Otras actualizaciones de las instalaciones
- Reemplazado por 2 cribas finas alimentadas internamente con apertura de 5 mm, con transportadores de tornillo y tanque de agua de lavado, V=10 m³ y 2 bombas de agua de lavado (1 de servicio + 1 en espera, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW).
- Reemplazados por 4 sopladores de suspensión neumática más eficientes, controlados por VFD (3 de servicio + 1 en espera, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- Se reemplazó el medio filtrante de los filtros de desnitrificación existentes por 1.800 m³ de medio cerámico (tamaño de partícula de 3 a 5 mm).
- Se reemplazaron 2 agitadores de mezcla en los tanques de sedimentación de alta-densidad (velocidad de 60 a 80 rpm, N=5.5 kW), 4 agitadores de floculación (velocidad de 10 a 20 rpm, N=2.2 kW) y los sedimentadores de tubos (260 m²).
- Se reemplazó el filtro prensa de correa por una correa de 2 m de ancho y un compresor de aire correspondiente, 1 juego.
- Utilizando la sala de control central original, equipos e instrumentos actualizados y un control centralizado establecido, se estableció un sistema de comunicación de datos en toda la planta-para lograr la comunicación de datos entre la sala de control central y las subestaciones, así como la automatización del control del proceso de producción.
5. Desempeño operativo e indicadores técnicos-económicos
5.1 Desempeño Operacional
Después de la finalización de este proyecto de mejora, todas las unidades de tratamiento han estado funcionando de manera estable. Los datos de monitoreo de la calidad del agua afluente y efluente para 2023 se muestran enTabla 2.
Como se muestra, las concentraciones promedio de efluentes para DQO, NH₃-N, TN, TP y SS fueron 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 y 2,63 mg/L, con tasas de eliminación promedio de 95,16 %, 99,45 %, 77,31 %, 94,75 % y 97,38 %, respectivamente. La DQO, NH₃-N y TP efluentes cumplieron consistentemente con el estándar de agua GB 3838-2002 Clase III.
El proyecto mejorado ha estado en funcionamiento durante casi dos años. Los resultados indican que el proceso MBBR+ACCA es estable, eficiente y produce efluentes de alta-calidad, lo que demuestra una fuerte resistencia a cargas de impacto y condiciones de baja-temperatura. Incluso con una temperatura mínima del agua en invierno de 9,4 grados y fluctuaciones significativas en la calidad del agua, la calidad del efluente se mantuvo estable y cumplió con los estándares de descarga. Antes y después de la actualización, la dosis de la fuente de carbono no aumentó, pero la eliminación de TN mejoró significativamente. Esto se debe, por un lado, a que los microorganismos nitrificantes adheridos a los portadores de MBBR crecen y se acumulan en un ambiente aeróbico estable, lo que lleva a una nitrificación más completa. Por otro lado, el nitrato se eliminó aún más en los tanques MBBR mejorados y en los tanques anóxicos. El sistema ACCA final actúa como salvaguardia, adsorbiendo y eliminando aún más la DQO, TP, SS, etc. recalcitrantes, haciendo que la calidad del efluente sea más estable. Además, después de la implementación del proyecto, la planta puede producir agua recuperada de alta-calidad, sentando las bases para la futura reutilización del agua.
5.2 Indicadores técnicos-económicos
La inversión total para este proyecto fue de 86 937 600 RMB, e incluye costos de construcción e instalación de 74 438 500 RMB, otros gastos de 7 593 500 RMB, costos de contingencia de 4 101 600 RMB y capital de trabajo inicial de 804 000 RMB. Después de una operación estable del sistema, el costo de electricidad adicional para toda la planta es de 0,11 RMB/m³, el costo del coque activado es de 0,39 RMB/m³, lo que resulta en un aumento total en los costos operativos de aproximadamente 0,50 RMB/m³.
6. Conclusión
- Este proyecto implementó la renovación de equipos, la intensificación de procesos y la renovación en la planta de tratamiento de aguas residuales existente, y agregó un tratamiento avanzado, mejorando la eficiencia de eliminación de DQO, NH₃-N, TN y TP.
- Después de la actualización, utilizando el proceso principal "MBBR+ACCA", la DQO, NH₃-N y TP efluentes mejoraron de manera estable desde Grado 1A al estándar de Clase III para aguas superficiales, y la eliminación de TN mejoró significativamente.
- La práctica demuestra que este proceso funciona de manera estable y eficiente, es resistente a los impactos de carga, produce efluentes de alta-calidad y agrega un costo operativo de aproximadamente 0,50 RMB/m³. Puede servir como referencia para proyectos de mejora e iniciativas de reutilización de agua en otras plantas de tratamiento de aguas residuales.