Aplicación del proceso BIOLAK en la actualización de una planta de tratamiento de aguas residuales a estándares cuasi-Clase IV
Introducido en China a principios del siglo XXI, el proceso BIOLAK obtuvo una amplia aplicación en el tratamiento de aguas residuales municipales debido a su estructura simple y sus bajos costos de inversión. En los últimos años, con el endurecimiento de los estándares de descarga y la creciente automatización, la mayoría de las plantas BIOLAK existentes enfrentan actualizaciones. Se implementan mejoras como agregar transportadores suspendidos, modernizar tanques y redefinir zonas funcionales para mejorar la eliminación de nitrógeno y fósforo. Si bien las plantas de nueva construcción adoptan predominantemente procesos de A²/O y zanjas de oxidación, existen pocos informes sobre el rendimiento real de BIOLAK, especialmente bajo estrictas normas de emisiones. El proceso BIOLAK utiliza cadenas de aireación oscilantes para crear zonas anóxicas y aeróbicas temporales, que esencialmente funcionan como un proceso A/O de múltiples-etapas. A través de la optimización operativa, la calidad del efluente puede cumplir de manera estable con el estándar de aguas superficiales cuasi-Clase IV.
1 Antecedentes del proyecto
Una planta de tratamiento de aguas residuales en la provincia de Hebei utiliza el proceso BIOLAK como tecnología principal. El caudal de entrada oscila entre 18.000 y 22.000 m³/d, con un promedio de 19.000 m³/d, y trata principalmente aguas residuales domésticas urbanas y una pequeña cantidad de aguas residuales de procesamiento agrícola. Las calidades diseñadas del afluente y del efluente se muestran enTabla 1. El estándar de descarga original era el estándar de Grado A de *"Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales" (GB 18918-2002)*. Después de una mejora que incluyó la partición de una zona anaeróbica para mejorar la desnitrificación y la desfosforización, la planta ahora cumple con los límites clave del área de control de los *"Estándares de descarga de contaminantes del agua para la cuenca del río Daqing" (DB13/2795-2018)*. Excepto el nitrógeno total, todos los demás indicadores cumplen con los estándares de Clase IV especificados en *"Estándares de calidad ambiental para aguas superficiales" (GB 3838-2002)*. El flujo del proceso se muestra enFigura 1.
La planta utiliza hipoclorito de sodio para la desinfección. El lodo se deshidrata mediante filtración de marco y placa de alta-presión hasta un contenido de humedad inferior al 60 % antes de transportarlo para su co-procesamiento en hornos de cemento.
La contribución de cada unidad de tratamiento a la eliminación de contaminantes se calculó basándose en el balance de masa, con métodos específicos referenciados en la literatura.
2 Medidas de optimización del control operativo
Se implementaron múltiples medidas de optimización durante la operación para mejorar la estabilidad del efluente y lograr ahorros de energía y costos.
2.1 Control mejorado de oxígeno disuelto (OD)
Los proyectos de modernización de BIOLAK existentes a menudo señalan su débil zonificación como una variante A/O de múltiples-etapas, lo que lleva a una baja eficiencia de desnitrificación. En este proyecto, al tiempo que se garantizaba el cumplimiento del nitrógeno amoniacal del efluente, la OD máxima al final de la zona de aireación se mantuvo entre 0,5 y 1,0 mg/L, menor que los requisitos de control de OD convencionales.
2.2 Mayor monitoreo de datos de proceso
Para guiar el control de OD y la dosificación de fuentes externas de carbono, se monitorearon el nitrógeno nitrato y el nitrógeno amoniacal al final de la zona anaeróbica y el tanque BIOLAK para determinar los rangos de control óptimos. Durante la operación, la dosificación de la fuente externa de carbono se redujo o se detuvo cuando se redujo el nitrógeno nitrato al final de la zona anaeróbica.<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Establecimiento de objetivos de control interno de efluentes
Para garantizar un cumplimiento estable, se establecieron objetivos de control interno entre el 30% y el 80% de los límites de descarga, en función de la dificultad de controlar cada contaminante. Exceder estos límites internos provocó ajustes inmediatos de los parámetros del proceso para devolver las concentraciones de efluentes a un rango aceptable. Los objetivos de control interno anual para DQO, nitrógeno amoniacal, nitrógeno total y fósforo total fueron 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L y 0,12 mg/L, respectivamente.
2.4 Mantenimiento de una concentración adecuada de lodos
El desperdicio de lodos se ajustó según caudal, carga y temporada. El tiempo de retención de lodos (SRT) se mantuvo entre 15 y 25 días y la concentración de sólidos en suspensión del licor mixto (MLSS) entre 2500 y 4500 mg/L. Específicamente, MLSS se controló a 2500–3500 mg/L en verano y otoño, con una carga de lodos de aproximadamente 0,06 kgDQO/(kgMLSS·d), y a 3500–4500 mg/L en invierno y primavera, con una carga de lodos de aproximadamente 0,04 kgCOD/(kgMLSS·d).
2.5 Ajuste del funcionamiento de las unidades de tratamiento avanzado
Las bajas temperaturas del invierno afectaron la floculación y la sedimentación. El retrolavado inoportuno de los filtros tipo V-podría provocar un aumento de los sólidos en suspensión del efluente y de DQO. Por lo tanto, durante la operación de invierno, se aumentó la frecuencia del retrolavado según el rendimiento de la coagulación y se intensificó la descarga de lodos del tanque de coagulación-sedimentación para reducir la concentración de sólidos suspendidos del efluente.
3 Rendimiento del tratamiento
La DQO del afluente anual osciló entre 109 y 248 mg/L, con un promedio de 176 mg/L. La DQO del efluente osciló entre 9,5 y 20,1 mg/L, con un promedio de 12,1 mg/L. Cuando la DQO del efluente superó el objetivo de control interno (15 mg/L), se aumentó la frecuencia del retrolavado del filtro para reducir los sólidos suspendidos. Se recomienda actualizar el tanque de sedimentación de coagulación-a uno de alta-densidad o de coagulación magnética-para una mejor eficiencia de la coagulación.
El nitrógeno amoniacal entrante anual osciló entre 17,8 y 54,9 mg/L, con un promedio de 31,9 mg/L. El nitrógeno amoniacal efluente osciló entre 0,12 y 1,30 mg/L, con un promedio de 0,5 mg/L. Cuando superó el objetivo de control interno, la aireación se ajustó según las medidas de optimización. La calidad del efluente cumplió de manera estable los límites clave del área de control de *DB13/2795-2018* durante todo el año.
Debido a la baja concentración de la fuente de carbono entrante, la atención se centró en optimizar las condiciones del proceso para mejorar la eliminación de nitrógeno y fósforo, con el objetivo de ahorrar energía y costes.
3.1 Optimización del control de OD y eliminación total de nitrógeno
El nitrógeno total (TN) entrante anual osciló entre 20,3 y 55,6 mg/L (verFigura 2), con un promedio de 42,1 mg/L. La TN del efluente osciló entre 2,5 y 14,2 mg/L, con un promedio de 8,8 mg/L, dentro del objetivo de control interno (12 mg/L). La tasa promedio de eliminación de TN fue del 79,1%. Con una proporción de reciclaje de lodos del 90% (sin reciclaje interno de licores mezclados), la eficiencia teórica de desnitrificación fue del 47,4%, lo que indica que la desnitrificación también ocurrió en otras zonas de proceso más allá del selector anaeróbico. Los cambios de nitrógeno a lo largo del tren de tratamiento en un ciclo típico se muestran enFigura 3.
En un ciclo típico, el TN afluente fue de 42,0 mg/L, siendo la suma de amoníaco y nitrógeno nitrato de 35,2 mg/L. Después del selector anaeróbico, el NT fue de 16,7 mg/L, lo que resultó en una tasa de eliminación del 43,5 % mediante balance de masa, consistente con el valor teórico. El tanque BIOLAK aportó una remoción de TN del 24,0%. El TN efluente se redujo aún más en el tanque de sedimentación secundario, contribuyendo con una eliminación adicional del 11,3 %, principalmente debido a su largo tiempo de retención hidráulica (8,6 horas), lo que permite la desnitrificación impulsada por una fuente de carbono endógeno-. Otras unidades contribuyeron con el 1,9% de eliminación. El TN del efluente final fue de 8,1 mg/L, con una tasa de eliminación total del 80,7%.
La experiencia operativa muestra que el control de OD es crucial para la eliminación de TN en el proceso BIOLAK. En los procesos convencionales, el OD generalmente se mide al final de la zona aeróbica en una estructura de canal donde el OD es relativamente uniforme en toda la sección transversal-. Sin embargo, en el tanque BIOLAK, el extremo de la zona de aireación tiene casi 70 metros de ancho, y el OD aumenta desde el borde de la pendiente hacia el centro, con una diferencia de 0,5 a 1,0 mg/L. Por lo tanto, la ubicación de las sondas de OD requiere atención cuidadosa.
Al controlar estrictamente el OD máximo al final de la zona de aireación de BIOLAK, se aseguró de manera efectiva un ambiente anóxico necesario para la desnitrificación. Se logró la nitrificación y desnitrificación (SND) simultáneas utilizando fuentes de carbono endógenas, lo que resultó en una eliminación eficaz del TN.
3.2 Eliminación total de fósforo y optimización operativa
El fósforo total (TP) afluente anual osciló entre 1,47 y 4,80 mg/L (verFigura 4), con un promedio de 2,99 mg/L. El TP del efluente osciló entre 0,04 y 0,17 mg/L. La dosis del agente de eliminación de fósforo se ajustó según el objetivo de control interno (0,12 mg/L). La concentración promedio de TP del efluente fue de 0,07 mg/L, cumpliendo de manera estable con el estándar de descarga, con una tasa promedio de eliminación de TP del 98,3%.
Los cambios de fosfato a lo largo del tren de tratamiento en un ciclo típico se muestran enFigura 5.
El fosfato entrante fue de 2,70 mg/L y el fosfato de lodo de retorno fue de 0,58 mg/L, lo que hace que el fosfato teórico que ingresa al selector anaeróbico sea de 1,70 mg/L. Después de la liberación anaeróbica de fósforo por parte de organismos acumuladores de polifosfato-(PAO), la concentración de fosfato alcanzó 3,2 mg/L. La relación de concentración de fosfato (máxima en zona anaeróbica/afluente) fue de 1,9, lo que indica una liberación significativa. La razón principal fue la desnitrificación efectiva en condiciones de baja OD, lo que resulta en una baja concentración de nitrato en el lodo de retorno a la zona anaeróbica, manteniendo un buen ambiente anaeróbico (ORP generalmente por debajo de -200 mV) y promoviendo la liberación de fósforo.
Después de la zona de aireación de BIOLAK, se produjo una absorción sustancial de fósforo, reduciendo la concentración de fosfato al final a 0,3 mg/L, logrando una eficiencia de eliminación biológica de fósforo del 88,9%. Después de los tanques de sedimentación y estabilización, la concentración de fosfato aumentó a 0,64 mg/L. El análisis sugiere que esto se debió al largo TRH en el tanque de sedimentación y al OD estrictamente controlado en el tanque BIOLAK, lo que creó una condición anaeróbica en el tanque de sedimentación y provocó la liberación secundaria de fósforo. Después de la dosificación del producto químico en la unidad de coagulación, el fosfato efluente se redujo a 0,06 mg/l. Por lo tanto, considerando los costos económicos y la complejidad operativa, sacrificar cierta eficiencia de eliminación biológica de fósforo para mejorar la desnitrificación es una estrategia de optimización viable para plantas similares.
4 Costos operativos
Los costos operativos directos incluyen electricidad, productos químicos y eliminación de lodos. Según las estadísticas anuales, el consumo de energía específico fue de 0,66 kWh/m³. Con un precio de la electricidad de 0,65 CNY/kWh (basado en una combinación de tarifas pico/valle), el coste de la electricidad fue de 0,429 CNY/m³. Este consumo es mayor según la "Norma de evaluación de la calidad operativa de plantas de tratamiento de aguas residuales municipales", debido principalmente a la eficiencia de utilización de oxígeno ligeramente menor del sistema de aireación. Los costes de los productos químicos, incluidos el acetato de sodio, el agente de eliminación de fósforo, el PAM, el hipoclorito de sodio y los productos químicos para deshidratación, ascendieron a 0,151 CNY/m³. El uso y los costos específicos se muestran enTabla 2.
Los lodos proceden principalmente de fuentes biológicas y químicas (tanques de coagulación). La filtración de marco y placa de alta-presión se utiliza con cal y cloruro férrico como agentes acondicionadores. La dosis de cal es aproximadamente el 25% del peso del lodo seco. La torta deshidratada tiene un contenido de humedad del 60%. La producción diaria de lodos deshidratados es de unas 9 toneladas, con un rendimiento específico de lodos secos de aproximadamente el 0,15%. El transporte de lodos cuesta 250 CNY/tonelada, lo que resulta en un coste de eliminación de lodos de aproximadamente 0,118 CNY/m³. Por tanto, el coste directo total de producción es de 0,698 CNY/m³.
5 conclusiones
① Una planta de tratamiento de aguas residuales en la provincia de Hebei, que utiliza el proceso BIOLAK para tratar aguas residuales municipales, funcionó de forma continua durante un año y la calidad del efluente cumplió de manera estable con los límites clave del área de control de *DB13/2795-2018* (estándar de aguas superficiales Cuasi Clase IV).
② Como variante del proceso A/O de múltiples-etapas, controlar el OD máximo al final de la zona de aireación BIOLAK a 0,5–1,0 mg/L dio como resultado una tasa de eliminación de TN del 24,0 % en la zona BIOLAK y del 11,3 % en el tanque de sedimentación. Esto logró la nitrificación-desnitrificación simultánea y la desnitrificación de la fuente de carbono endógeno, lo que demuestra una capacidad significativa de eliminación de nitrógeno.
③ El costo operativo directo del proceso BIOLAK fue de 0,698 CNY/m³. Las medidas de optimización operativa, incluido el monitoreo de datos de proceso y el establecimiento de objetivos de control interno razonables, pueden proporcionar referencias para optimizar la operación y lograr ahorros de energía y costos en plantas de tratamiento de aguas residuales similares.