Comparación de procesos AO de dos-etapas y AO de tres-etapas: una ingeniería Perspectiva
Actualmente, la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de China adoptan procesos basados en lodos activados-para el tratamiento de aguas residuales. Entre estos, casi la mitad utiliza el proceso anóxico-óxico (AO). El proceso AO ofrece ventajas como un funcionamiento estable y un bajo coste. Sin embargo, su eficiencia de eliminación de nitrógeno total (TN), que normalmente oscila entre el 60% y el 80%, está limitada por las proporciones de reciclaje interno. Con requisitos nacionales cada vez más estrictos para la eliminación de nitrógeno, los procesos AO convencionales de una sola etapa-a menudo tienen dificultades para satisfacer las demandas del tratamiento TN. Así, han surgido procesos de AO de múltiples etapas. Al conectar dos o más etapas de AO en serie, el nitrato producido en la etapa aeróbica anterior proporciona el sustrato para la desnitrificación en la etapa anóxica posterior. Esto logra el objetivo de reducir la tasa de reciclaje interno y al mismo tiempo mejorar la eliminación general de TN. Sin embargo, el exceso de etapas también puede aumentar la complejidad operativa. En consecuencia, las configuraciones más comúnmente aplicadas en China son actualmente los procesos AO de dos-etapas y de tres-etapas. Este artículo presenta un análisis comparativo de procesos de AO de dos-y tres-etapas utilizando una EDAR en el sur de China como estudio de caso, con el objetivo de proporcionar una referencia para la selección de rutas técnicas en proyectos similares.
1 Descripción general del proyecto
Una EDAR en el sur de China cubre una superficie total de 8 hectáreas. Su capacidad de diseño original era de 90.000 m³/d, y la calidad del efluente debía cumplir tanto con el estándar de Grado A del "Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales" (GB 18918-2002) como con los "Límites de descarga de contaminantes del agua" de la provincia de Guangdong (DB 44/26-2001) (en adelante denominado "Cuasi-Clase V"). La planta estaba funcionando a plena capacidad. Según la planificación pertinente, era necesaria una ampliación. Los futuros estándares de efluentes, basados en el estado actual, debían considerar un requerimiento a largo plazo de TN menor o igual a 10 mg/L. Teniendo en cuenta las condiciones reales del lugar, la escala de construcción civil para esta ampliación se fijó en 70.000 m³/d. La planta operaría a 50.000 m³/d en el corto plazo y alcanzaría la escala de 70.000 m³/d en el largo plazo, elevando la capacidad total de tratamiento de la planta a 160.000 m³/d. La calidad del agua afluente y efluente diseñada se muestra enTabla 1.
Debido a las limitaciones del sitio, el plan preliminar para la expansión adoptó la ruta del proceso de "AO de múltiples-etapas + periférico-entrada periférica-salida tanque de sedimentación rectangular + tanque de sedimentación de alta-eficiencia + placa de fibra-y-filtro de marco". Las estructuras civiles de todas las unidades principales se construyeron para la escala de 70.000 m³/d, mientras que se instalaron equipos para la capacidad de 50.000 m³/d. El tanque biológico emplearía un proceso de AO de múltiples etapas en el corto plazo. A largo plazo, agregar transportadores suspendidos crearía un proceso híbrido de lodos activados por biopelículas-para satisfacer la demanda de expansión de capacidad del 40 %. Para este diseño se consideraron condiciones hidráulicas para la escala de 70.000 m³/d, mientras que el tratamiento biológico se diseñó para la escala de 50.000 m³/d. Como este proyecto pretendía adoptar un proceso de AO de múltiples-etapas, se realizó una comparación entre dos-etapas y tres-etapas.
2 Comparación de procesos de AO de dos-etapas y de tres-etapas
2.1 Flujo del proceso
El principio básico del proceso de AO de múltiples etapas es utilizar el nitrato producido en la etapa aeróbica anterior para la desnitrificación en la etapa anóxica posterior, reduciendo así la proporción de reciclaje interno. En teoría, más etapas conducen a una mejor eliminación del TN, pero el control se vuelve más complejo. En la práctica de la ingeniería, predominan los AO de dos-etapas y de tres-etapas. Sus flujos de proceso se muestran enFigura 1. Para un AO de dos-etapas, el reciclaje interno normalmente se diseña dentro de la primera etapa de AO. Para un AO de tres-etapas, generalmente no se emplea el reciclaje interno. Las EDAR de Beijing que utilizan el proceso de AO en dos-etapas incluyen Qinghe (400 000 m³/d), Xiaohongmen (500 000 m³/d), Gao'antun (400 000 m³/d), Dingfuzhuang (200 000 m³/d) y Huaifang (600 000 m³/d). Este proceso ofrece ventajas como equipos simples, bajos costos de operación y mantenimiento, fuerte resistencia a cargas de impacto y alta compatibilidad con otros procesos, lo que facilita futuras actualizaciones para cumplir con estándares más altos de efluentes. En teoría, un AO de tres-etapas en serie puede eliminar la necesidad de equipos de reciclaje internos, permitir una asignación más racional de las fuentes de carbono y reducir los costos operativos y de inversión. Este proceso se aplica principalmente en escenarios con suficientes fuentes de carbono y altas demandas de eliminación de nitrógeno. Los casos típicos incluyen la EDAR de Qujing en Yunnan (80.000 m³/d), la EDAR urbana del distrito de Ninghe en Tianjin (90.000 m³/d), la EDAR de Zhangguizhuang en Tianjin (200.000 m³/d) y la Planta de Recuperación de Daoxianghu en Beijing (80.000 m³/d).
2.2 Comparación de procesos
Teniendo en cuenta que no hay terreno adicional disponible para futuras mejoras en este sitio, y que algunos proyectos locales nuevos ya están implementando un estándar de TN para efluentes de menos o igual a 10 mg/L, la comparación del proceso consideró un TN para efluentes de tanque biológico de menos de o igual a 10 mg/L para dar cabida a la posibilidad de requisitos de efluentes más estrictos en el futuro. Otros indicadores adhirieron a la calidad del efluente de diseño. Según el diseño, para una escala de corto-plazo de 50.000 m³/d, el tiempo máximo de retención hidráulica (HRT) para el tanque biológico fue de 18 horas. Combinando las condiciones reales del proyecto, los resultados de la simulación de BioWin y la conveniencia de acoplarse con portadores suspendidos, se realizó una comparación entre los procesos de AO de dos-y tres-etapas.
2.2.1 Simulación BioWin
Se fijó una TRH inicial de 18 horas y se redujo gradualmente. El TRH mínimo para alcanzar el requisito de NT del efluente fue de 14 horas. Para las dos-etapas AO, los puntos de distribución del afluente fueron la zona anaeróbica, la primera-etapa anóxica y la segunda-etapa anóxica. Para las tres-etapas AO, los puntos de influencia fueron la zona anaeróbica, la segunda-etapa anóxica y la tercera-etapa anóxica.
① Estudio con relación de distribución de afluentes fija
Al establecer la relación de distribución del afluente en 4:3:3 para ambos, las simulaciones compararon tres esquemas: AO de dos-etapas (índice de reciclaje del 200%), AO de tres-etapas con una relación de reciclaje total del 200% (100% de reciclaje dentro de la primera etapa de AO + 100% de reciclaje desde la tercera zona óxica a la primera zona anóxica) y AO de tres-etapas con una relación de reciclaje de 100% (reciclar sólo dentro de la primera etapa AO). Los flujos de simulación se muestran enFigura 2.
Tabla 2muestra los resultados de la simulación para una relación de afluencia fija a HRT=14 h.
En la Tabla 2, se puede ver que para AO de dos-etapas y de tres-etapas, se recomienda configurar el reciclaje interno en la primera etapa de AO para maximizar la desnitrificación en la primera zona anóxica mediante la utilización de la fuente de carbono en el afluente crudo. Para el AO de tres-etapas, la configuración del reciclaje interno desde el final de la tercera etapa hasta la primera zona anóxica mejoró ligeramente la eliminación de TN y TP, pero la eficiencia de eliminación de materia orgánica disminuyó. Esta es una especulación atribuida al aumento del flujo general en el tanque biológico debido al reciclaje, que transportó oxígeno disuelto a la zona anóxica, afectando el ambiente anóxico. Además, el HRT real en cada zona se acortó y la transición entre condiciones operativas se aceleró, lo que llevó a una reducción de la eficiencia. Para características de afluente como las de este proyecto en el sur de China, donde la concentración de TN no es muy alta, el AO de dos-etapas puede cumplir plenamente con los requisitos del efluente, sin mostrar ninguna ventaja distintiva para el AO de tres-etapas. Para escenarios con alta DQO y alto afluente TN, el AO de tres-etapas podría ser más adecuado.
② Estudio sobre el ajuste de los ratios de distribución de afluentes
Tanto el AO de dos-etapas como el de tres-etapas se establecieron con una tasa de reciclaje interno del 100 % en la primera etapa de AO. Se realizaron estudios sobre proporciones de distribución de afluentes en múltiples-puntos (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Aquí, 1:0:0 significa que todos los influyentes entran por el frente; 3:7:0 para las tres-etapas AO significa que el afluente se distribuye solo a la zona anaeróbica y a la segunda etapa AO. Los resultados de la simulación para los ratios de distribución ajustados se muestran enTabla 3.
En la Tabla 3 se puede ver que el ratio de distribución tiene un ligero impacto en la calidad del efluente. La tendencia general es que a medida que aumenta la proporción del afluente distribuido a las etapas posteriores, aumentan las concentraciones de TN, NH₃-N y TP en los efluentes, y la demanda de aireación también aumenta gradualmente. Cuando la proporción del afluente fue de 3:7:0, el AO de tres-etapas mostró una eliminación de TN ligeramente mejor y una proporción de aire-a-agua ligeramente menor que el AO de dos-etapas. Sin embargo, en el funcionamiento real, esta diferencia es generalmente insignificante. Además, aumentar la proporción de afluentes hacia etapas posteriores, si bien es beneficioso para la utilización de fuentes de carbono en la desnitrificación, inevitablemente aumenta la carga de las reacciones bioquímicas debido al aporte de NH₃-N, materia orgánica y TP. Por lo tanto, se recomienda conservar la configuración del afluente multi-y realizar ajustes graduales basados en la calidad real del agua durante la operación. Vale la pena señalar que, aunque el AO de tres-etapas mostró una mejor eliminación de TN que el AO de dos-etapas en una proporción de afluente de 2:4:4, a medida que aumentó el afluente a las etapas posteriores, el NH₃-N efluente mostró una tendencia ascendente, momento en el cual el NH₃-N ya no pudo cumplir con el estándar de efluente.
③ Rendimiento del tratamiento de AO en dos-etapas y en tres-etapas
Se simuló una configuración de AO de tres-etapas con HRT=14 h, proporciones de volumen iguales para cada etapa (1:1:1), 100 % de reciclaje interno configurado en la primera etapa de AO y una proporción de afluente de 4:3:3, en dos condiciones: con 100 % de reciclaje y con reciclaje cerrado. Se simuló una configuración de AO de dos-etapas con HRT=14 h, un conjunto de reciclaje interno del 100 % y una relación de afluencia de 4:3:3. Los resultados mostraron que el AO de dos-etapas logró el TN del efluente óptimo de 6,29 mg/L; el AO de tres-etapas con 100 % de reciclaje interno en la parte delantera logró el siguiente mejor resultado con 7,51 mg/L; el AO de tres-etapas sin reciclaje interno tuvo un peor desempeño con 8,52 mg/L. Los tres escenarios podrían cumplir con el requisito de verificación de efluentes (TN menor o igual a 10 mg/L).
Tabla 4muestra la comparación de parámetros de diseño entre dos-etapas y tres-etapas AO. Se puede observar que para ambos procesos, el TRH requerido para alcanzar el requerimiento de TN del efluente es menor a 18 horas. Las principales diferencias entre los dos procesos son las siguientes:
a. Teóricamente, el AO de tres-etapas tiene un límite superior más alto; es decir, si se opera adecuadamente, tanto los costos de inversión como de operación pueden ser menores. El AO de dos-etapas tiene menos elementos de equipo y etapas, lo que resulta en menores costos de equipo y menor dificultad de gestión operativa.
b. Para este proyecto específico, dado que se consideró el largo plazo y el volumen del tanque fue diseñado para un HRT de 18-horas, la inversión civil sería idéntica ya sea que se adopte el AO de dos-etapas o de tres-etapas. El costo del equipo para el AO de tres-etapas es mayor. Por lo tanto, desde una perspectiva de inversión, adoptar el AO de dos etapas es más económico.
do. En cuanto a los costos operativos, el AO de tres-etapas podría ahorrar aproximadamente 0,002 CNY/m³ al eliminar el costo de energía de reciclaje del 100% del licor mezclado. Teniendo en cuenta la posible disminución en la eficiencia de utilización de la fuente de carbono en la operación real debido a la alternancia de condiciones anóxicas/óxicas en las tres-etapas AO, la diferencia real en los costos operativos probablemente sería aún menor.
2.2.2 Análisis del escenario de suspensión del operador a largo plazo-
Debido a los requisitos únicos de este proyecto, el tanque biológico necesitaba considerar la viabilidad y conveniencia del plan de expansión de capacidad a largo-plazo, es decir, el impacto de agregar transportadores suspendidos.
El núcleo del proceso MBBR es aumentar la biomasa en el reactor añadiendo portadores suspendidos. Estos se pueden agregar a tanques aeróbicos, anóxicos o anaeróbicos. Sin embargo, considerando la fluidización del portador, agregarlos a tanques anaeróbicos o anóxicos aumentaría significativamente los requisitos de potencia de mezcla. Por lo tanto, se recomienda preferentemente la adición a tanques aeróbicos. El volumen de las zonas anaeróbicas/anóxicas se puede complementar separando la zona aeróbica, mientras que la deficiencia en el volumen aeróbico se compensa con los portadores añadidos. En otras palabras, el volumen aeróbico insuficiente es soportado por el aumento de la superficie de los transportadores suspendidos, que se calcula en base a la conversión de la carga contaminante para determinar la cantidad de transportador requerida, controlando una cierta proporción de llenado para obtener el volumen agregado.
Según los cálculos, si se adopta el proceso AO de dos-etapas y se agregan todos los vehículos suspendidos a la zona aeróbica de la primera-etapa a largo plazo, la superficie de transporte MBBR requerida sería de 2.597.708 m², con un costo de 12,99 millones de CNY. Otros costos de equipos fijos relacionados (incluidos los sistemas de fluidización MBBR, mezcladores dedicados, sistemas de cribado y sistemas de control inteligentes) ascenderían a 6,15 millones de CNY. Si se adopta el proceso AO de tres-etapas, debido a las zonas más dispersas, la zona MBBR debería dividirse en 2 secciones (zonas aeróbicas de primera-etapa y segunda-etapa). En consecuencia, el costo de instalación del equipo fijo MBBR correspondiente (excluyendo a los propios transportistas) aumentaría ligeramente a 7,77 millones de CNY, mientras que el costo del transportista sigue siendo el mismo. Esto significa que adoptar el AO de tres-etapas aumentaría la inversión futura en modernización en 1,62 millones de CNY y también aumentaría la complejidad de la modernización. Además, el sistema de detección es el área más propensa a tener problemas después de la adición del portador. El AO de tres-etapas añade una sección adicional de pantallas, lo que aumenta la dificultad operativa.
De la comparación anterior, debido a la partición excesiva en el AO de tres-etapas, donde cada partición tiene un volumen similar, su dificultad de actualización es mayor que la del AO de dos-etapas. La construcción, la complejidad operativa y la adición de equipos de detección también resultan en una inversión mayor que la del AO de dos-etapas. Por lo tanto, adoptar el AO de dos-etapas es más propicio para el acoplamiento futuro con transportadores suspendidos.
2.3 Resultado de la comparación
Según el análisis anterior, los procesos de AO de dos-etapas y de tres-etapas pueden alcanzar el objetivo de TN del efluente inferior o igual a 10 mg/L. Bajo las condiciones límite de este proyecto-el espacio limitado, la necesidad de maximizar el volumen del tanque a corto-plazo y el plan a largo-plazo para agregar transportadores suspendidos-el AO de dos-etapas tiene ventajas en términos de inversión a corto-plazo y conveniencia de administración/mantenimiento de equipos. También ofrece una mayor compatibilidad para futuras modificaciones con soportes suspendidos, lo que resulta en una menor inversión general y una reducción de las dificultades operativas y de adaptación. Por lo tanto, después de una consideración exhaustiva, se recomendó el proceso de AO en dos-etapas para este diseño.
3 Desempeño Operacional
La inversión total estimada para este proyecto es de 304,5721 millones de CNY, con costos de construcción de 243,6019 millones de CNY, lo que se traduce en un costo unitario de construcción de 3.480,03 CNY/m³. El costo de tratamiento es de 1,95 CNY/m³ y el costo de operación es de 1,20 CNY/m³.
Para este proyecto, el tanque biológico tiene un HRT total de 18 horas (que comprende: zona anaeróbica 2 h, zona anóxica de primera-etapa 3,5 h, zona aeróbica de primera-etapa 7,5 h, zona de desgasificación 0,5 h, zona anóxica de segunda-etapa 2,5 h, zona aeróbica de segunda-etapa 2 h), con una profundidad efectiva de agua de 8,6 m. Se implementa una toma de agua seccional ajustable, lo que permite ajustes en la proporción de distribución del afluente en incrementos del 20 % según sea necesario. En la operación real, la concentración de sólidos suspendidos de licor mixto (MLSS) en el tanque biológico varía de 3500 a 4000 mg/L, la proporción de retorno de lodos varía de 40 % a 100 % y la proporción de reciclaje interno de licor mixto varía de 100 % a 200 %. La calidad real del afluente y del efluente se muestra enTabla 5, que se alinea básicamente de manera consistente con los resultados de la simulación.
4 Conclusión
Utilizando una EDAR en el sur de China como estudio de caso, se realizó una comparación técnica y económica entre procesos de AO de dos-y tres-etapas con la ayuda de la simulación BioWin. El AO de dos-etapas, con menos elementos de equipo y etapas, menores costos de equipo y menor dificultad de gestión operativa, es más adecuado para las condiciones del sur de China donde el TN afluente no es muy alto. Para el AO de tres-etapas, la configuración del reciclaje interno desde el final de la tercera etapa hasta la primera zona anóxica afectó negativamente la eficiencia de eliminación de TN, aumentó la dificultad de gestión operativa y aumentó los costos de inversión. El diseño cumple simultáneamente con los requisitos de tratamiento a corto plazo de 50 000 m³/d y TN menor o igual a 10 mg/L, mientras que la escala a largo plazo-de 70 000 m³/d se puede lograr mediante el acoplamiento con transportadores suspendidos. Los resultados operativos reales son en gran medida consistentes con los resultados de la simulación de BioWin, con un TN efluente promedio de 6,86 mg/L, lo que cumple con los requisitos de diseño.