Efecto operativo del proyecto de mejora de la planta de tratamiento de aguas residuales en Tianjin
Una planta de tratamiento de aguas residuales en Tianjin se sometió a un proyecto de mejora y renovación adoptando el proceso Bardenpho-MBBR modificado, elevando la calidad del efluente del estándar de Grado A especificado en el "Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales" (GB 18918-2002) al estándar Clase A de la norma local de Tianjin DB 12/599-2015. El proceso del reactor de biopelículas de lecho móvil (MBBR) implica agregar portadores suspendidos de MBBR al reactor, proporcionando sitios para la unión microbiana y formando biopelículas adheridas, aumentando así la biomasa efectiva en el sistema y logrando la eliminación de contaminantes. El proceso MBBR ofrece ventajas como una alta carga de tratamiento, una fuerte resistencia a las cargas de choque, un rendimiento de tratamiento estable, una gestión operativa sencilla y una operación de proceso flexible. Un número cada vez mayor de EDAR en China están adoptando el proceso MBBR para su renovación. Este artículo analiza el desempeño operativo de una EDAR de Tianjin después de su modernización, con el objetivo de proporcionar una referencia para proyectos de modernización similares.
1. Proceso actual de eliminación biológica de nitrógeno y fósforo
El tanque biológico original utilizaba un proceso A²/O con una capacidad de tratamiento de 12.500 t/d. La edad total de diseño del lodo fue de 14 días, la concentración de sólidos suspendidos en licor mixto (MLSS) fue de 3500 mg/L, la temperatura del agua de diseño fue de 10 grados, el rendimiento de lodo fue de 0,936 kgSS/kgBOD y la carga de lodo fue de 0,082 kgBOD/kgMLSS. La profundidad efectiva del agua del tanque biológico fue de 6 m, con un volumen total del tanque de 9.052,2 m³ y un tiempo de retención hidráulica (TRH) total de 17,4 horas. La distribución de la TRH fue: zona selectora 0,58 h, zona anaeróbica 1,38 h, zona anóxica 2,85 h, zona swing 0,92 h y zona aeróbica 11,67 h. El reciclaje de lodos fue del 100% y el reciclaje interno de licores mezclados fue del 300%. El tanque biológico original constaba principalmente de secciones anaeróbicas-anóxicas-aeróbicas. Los parámetros operativos se pueden ajustar según las condiciones del afluente y los requisitos del efluente para lograr la eliminación de nitrógeno y fósforo, y la calidad del efluente cumple con el estándar de Grado A de GB 18918-2002.
2. Descripción general del proyecto de mejora y renovación
Esta actualización tenía como objetivo mejorar la calidad del efluente para cumplir con el estándar Clase A del estándar local de Tianjin "Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales" (DB 12/599-2015). La calidad diseñada del afluente y del efluente se muestra enTabla 1. De acuerdo con los valores de TN del afluente y del efluente de diseño, lograr un TN del efluente por debajo de 10 mg/L requiere una tasa de desnitrificación del 75,6 % en el sistema del tanque biológico. El tanque biológico original utilizaba una configuración A²/O. Los cálculos basados en la configuración original del tanque indicaron que la proporción de reciclaje interno tendría que aumentar del 200% original al 310%, junto con la adición de una gran cantidad de fuente de carbono externa. Esto no sólo aumentaría los costos operativos sino que también el gran volumen de flujo de reciclaje interno podría alterar el ambiente anóxico. Esto podría llevar a que la HRT real en la zona anóxica sea menor que el requisito mínimo, afectando la eficiencia de la desnitrificación. El proceso MBBR mejora la capacidad de desnitrificación del sistema y mejora la calidad del efluente al agregar portadores suspendidos para aumentar la concentración de biomasa dentro del tanque, cumpliendo así con los requisitos de mejora.
Sin cambiar el volumen del tanque biológico existente, se reconfiguraron las zonas funcionales internas del tanque biológico. La configuración A²/O original (anaeróbica-anóxica-aeróbica) se modificó a una configuración Bardenpho de 6-etapas: zona anaeróbica, zona anóxica, zona de swing, zona aeróbica, zona post-anóxica y zona post-aeróbica. Específicamente, la zona selectora original se convirtió en una zona anaeróbica. La zona anaeróbica original, la zona de swing (parte frontal) y la zona anóxica se utilizaron como zona pre-anóxica. La mitad delantera del primer corredor en la zona aeróbica original se ajustó a una zona de swing. Los corredores aeróbicos primero, segundo y tercero originales se convirtieron en la zona MBBR, donde se agregaron transportadores suspendidos, junto con sistemas de detección de entrada/salida y un sistema de aireación auxiliar en el fondo. El cuarto corredor aeróbico se convirtió en una zona post-anóxica. La zona de swing original se dividió funcionalmente y se ajustó en zonas post-anóxica y post-aeróbica. Los parámetros del tanque biológico renovado se muestran enTabla 2.
En cuanto a la operación del proceso, el licor mezclado de la zona aeróbica se recicla a la zona anóxica y se agrega una fuente de carbono dentro de la zona anóxica. Las bacterias desnitrificantes utilizan la fuente de carbono para la desnitrificación para eliminar el nitrógeno nitrato producido en la zona aeróbica. El nitrógeno de nitrato residual ingresa a la zona post-anóxica, donde se agrega una fuente de carbono adicional para continuar la desnitrificación. Después de la renovación, la concentración de sólidos suspendidos del licor mixto (MLSS) es de 4000 mg/L, el reciclaje de lodos es del 50 % al 100 %, el reciclaje interno del licor mixto es del 200 % al 250 % y el oxígeno disuelto en la zona MBBR es de 2 a 5 mg/L. El diagrama de flujo del proceso después de la renovación se muestra enFigura 1.
3. Puesta en servicio del sistema después de la renovación del tanque biológico
Una vez finalizada la renovación del tanque biológico, comenzó la fase de puesta en servicio. Se añadió al tanque biológico lodos deshidratados de otra EDAR, aumentando rápidamente la concentración de lodos por encima de los 3.000 mg/L en poco tiempo. Esto acortó el periodo de cultivo y aclimatación de los lodos, permitiendo una rápida puesta en marcha del tanque biológico y restableciendo su capacidad de eliminación de nitrógeno y fósforo. Durante el período de operación de prueba, debido al flujo de afluente relativamente bajo y a las concentraciones de contaminantes, la carga operativa real fue menor que la carga de diseño. El enfoque fue primero cultivar y aclimatar el lodo activado hasta que el sistema biológico se estabilizara y la calidad del efluente cumpliera con los estándares, luego agregar portadores MBBR para la formación de biopelículas.
Después de agregar los transportadores a la sección aeróbica del tanque biológico, primero se sumergieron. Los microorganismos se adhirieron gradualmente a sus superficies. Visualmente, el color de la superficie del soporte cambió de blanco a un amarillo terroso tenue a medida que se adhirieron más microorganismos y la biopelícula se volvió más densa. El color del portador se profundizó gradualmente. Dos meses después de la adición del portador, la formación de biopelículas fue buena, con la superficie del portador apareciendo de color marrón amarillento-y el color se volvió más intenso gradualmente. Cuatro meses después de la adición del portador, la biopelícula en la superficie del portador apareció de color marrón oscuro y era densa. La progresión de la formación de biopelículas podría observarse intuitivamente basándose en los cambios en el color del portador, como se muestra enFigura 2. En diciembre de 2021, el examen microscópico de los lodos activados del tanque biológico y de los lodos de los transportadores reveló estructuras de flóculos compactos con buenas propiedades de adsorción y sedimentación. Visualmente, los portadores mostraron una evidente formación de biopelículas. El examen microscópico identificó organismos como Vorticella, Opercularia y Epistylis, con avistamientos ocasionales de algunos ciliados móviles, lo que indica la finalización de la etapa de formación de biopelículas.
4. Desempeño operativo después de la renovación del tanque biológico
4.1 Rendimiento de eliminación de DQO y DBO después de la renovación
Los valores de DQO y DBO de los efluentes para 2022 se muestran enFigura 3. La DQO del efluente osciló entre 10,2 y 24,9 mg/L, con un promedio de 18,0 mg/L. La DBO del efluente osciló entre 2,1 y 4,9 mg/L, con un promedio de 3,4 mg/L. Tanto la DQO como la DBO del efluente cumplieron de manera estable el estándar local Clase A de Tianjin. El sistema renovado no solo demostró un buen rendimiento de eliminación de DQO y DBO, sino que también mantuvo niveles de DQO y DBO en los efluentes estables y conformes durante la temporada de inundaciones, incluso cuando la carga afluente real de la planta alcanzó el 110% de su capacidad de diseño. Esto indica que el sistema posee buena resistencia a cargas de choque.
4.2 Rendimiento de eliminación de TN y NH₃-N después de la renovación
Los valores de TN y NH₃-N del efluente para 2022 se muestran enFigura 4. El TN osciló entre 3,72 y 8,74 mg/L, con un promedio de 6,43 mg/L. NH₃-N osciló entre 0,02 y 1,25 mg/L, con un promedio de 0,12 mg/L. Durante la operación invernal, debido a las temperaturas más bajas, las tasas de nitrificación y desnitrificación disminuyeron. En la práctica, la concentración de lodos se incrementó por encima de 6.000 mg/L. Operar con una alta concentración de lodos es beneficioso para mejorar la resistencia del sistema biológico a cargas de choque, especialmente a bajas temperaturas. La sinergia entre la alta concentración de lodos y la biopelícula adherida a los soportes MBBR mejora el efecto de tratamiento del sistema biológico.
Los portadores de MBBR proporcionan un entorno favorable para las comunidades microbianas, apoyando su crecimiento y reproducción. Después de la aclimatación y maduración, se fortalece la capacidad de nitrificación y desnitrificación del biofilm. Los microorganismos se adhieren y crecen en capas sobre la superficie del soporte, aumentando la densidad de la zoogloea y formando estructuras de lodo grandes, densas y rápidamente estables. Cuando se enfrentan a cambios externos en la calidad del agua, los microorganismos en la superficie del portador secretan sustancias poliméricas extracelulares (EPS) para su auto-protección, reduciendo así el impacto de los cambios repentinos en la calidad del agua en los microorganismos de la capa interna-.
En las EDAR que emplean el proceso MBBR se han observado fenómenos simultáneos de nitrificación y desnitrificación (SND) en la zona portadora aeróbica. Las pruebas de los valores de NT del afluente y el efluente de la zona de transporte aeróbico revelaron una diferencia de 2 a 6 mg/L. Esta diferencia fue más pronunciada, especialmente cuando el oxígeno disuelto en el tanque aeróbico se controló por debajo de 2 mg/L, lo que indica una SND más significativa en condiciones de bajo oxígeno disuelto. El TN efluente del tanque de sedimentación secundario cumplió plenamente con los estándares, es decir, la eliminación del TN se completó dentro de la etapa de tratamiento biológico. En funcionamiento real, el filtro de lecho profundo-desnitrificador funciona como un proceso de protección. En condiciones normales, funciona como un filtro regular para garantizar que los indicadores SS cumplan con los estándares.
4.3 Rendimiento de eliminación de TP y SS después de la renovación
Los valores de TP y SS del efluente para 2022 se muestran enFigura 5. La PT del efluente de la PTAR osciló entre 0,04 y 0,22 mg/L, con un promedio de 0,10 mg/L. El SS del efluente osciló entre 1 y 4 mg/L, con un promedio de 2,2 mg/L. Después de la mejora, el efluente del tanque de sedimentación secundario TP fue de alrededor de 1,0 mg/L y SS de alrededor de 26 mg/L. Al agregar cloruro férrico y PAM en el tanque de sedimentación de alta-eficiencia para mejorar la coagulación y mediante una purificación adicional en el filtro desnitrificador de lecho profundo-, el efluente TP y SS cumplieron de manera estable con el estándar local Clase A de Tianjin y el valor del color se redujo significativamente.
5. Conclusión
Para cumplir con el estándar local Clase A de Tianjin, el proceso A²/O original en la EDAR se transformó en una configuración Bardenpho de cinco-etapas, incorporando el proceso MBBR en la sección aeróbica para mejorar la eliminación biológica de nitrógeno, reduciendo el TN y el NH₃-N efluentes. Durante la temporada de inundaciones con sobrecarga de caudal, todos los indicadores cumplieron de manera estable los estándares, lo que demuestra una buena resistencia al impacto. Después de la renovación del tanque biológico, la proporción de reciclaje interno fue de 200% a 300%, el reciclaje externo de lodos fue de 50% a 100%, la concentración de lodos fue de 4000 a 6000 mg/L, el oxígeno disuelto en la zona aeróbica se controló a 3 a 5 mg/L y el oxígeno disuelto en la zona anaeróbica se controló a 0,2 a 0,5 mg/L. En 2022, la calidad del efluente de la PTAR fue: DQO 10,2–24,9 mg/L, promedio 18,0 mg/L; DBO 2,1–4,9 mg/L, promedio 3,4 mg/L; NH₃-N 0,02–1,25 mg/L, promedio 0,12 mg/L; TN 3,72–8,74 mg/L, promedio 6,43 mg/L; TP 0,04–0,22 mg/L, promedio 0,1 mg/L; SS 1 a 4 mg/L, promedio 2,2 mg/L. Todos cumplieron de manera estable el estándar Clase A del estándar local de Tianjin "Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales" (DB 12/599-2015).