Tratamiento de Fangos Activos en Depuración de Aguas Residuales

Los fangos activos son de sustrato suspendido, lo que significa que los microorganismos no están adheridos a ningún soporte fijo, ya sea mineral o plástico. El agua residual ya contiene microorganismos, por lo que el objetivo es favorecer su desarrollo y evitar la presencia de productos tóxicos que puedan dañarlos. Es crucial suministrarles una cantidad de oxígeno disuelto de entre 1,5 y 2,0 mg/l. El O₂, junto con el pH, son los dos condicionantes esenciales. El efluente resultante es un agua más cargada que la que entra al tanque. En la cuba hay entre 3.000 y 4.000 mg/l de sólidos biológicos, con el fin de acelerar el proceso natural. De la decantación secundaria se obtiene un fango biológico o secundario. Para mantener la concentración en la cuba, es necesario recircular los lodos. Un tratamiento biológico requiere tiempo para que se desarrolle la masa biológica. Los fangos en exceso deben ser conducidos al tratamiento de fangos. El cálculo de la recirculación se basa en un balance de sólidos.

Carga Másica

Es el parámetro fundamental en el proceso biológico. Se define como la carga diaria de DBO₅ que entra en la cuba (tanque biológico) en kg/día, dividida entre la cantidad total de sólidos existente en la cuba [V_tanque (m³) x MLSS (kg/m³)].

M.L.S.S.

Es la concentración de sólidos en la cuba, generalmente entre 3.000 y 4.000 mg/l (un valor normal es 3.500 mg/l). A mayor MLSS, mayor es el volumen de fangos a recircular, lo que implica mayores bombas y más energía, pero permite un tanque más pequeño.

I.V.F.

Es el índice volumétrico de fangos. El cono de Imhoff, un cono graduado invertido, se utiliza para apreciar la decantación del agua residual. Se llena con 0,5 o 1 litro de agua de la cuba, y tras 60 minutos se lee el volumen de fango sedimentado referido al litro. El IVF indica la calidad de la decantación. A igualdad de concentración en la cuba, a menor volumen decantado, menor IVF y mejor decantación. Un IVF admisible está entre 125 y 150.

Curva de Proceso

Relaciona el IVF con la carga másica. Los máximos de la curva presentan un gran IVF y una mala decantación, por lo que deben evitarse. Las tipologías de fangos activos que se sitúan en los mínimos son:

• Fangos activos de alta carga: Mínimos con carga másica entre 1,2 y 2,0.
• Fangos activos de media carga (o convencionales): Carga másica entre 0,3 y 0,5.
• Fangos activos de baja carga (oxidación total o prolongada): Carga másica menor de 0,1.

Para la elección de la tipología, se considera la definición de carga másica. Buscando un volumen de tanque reducido, se opta por una alta carga másica y una tipología de fangos de alta carga. A mayor carga másica, menor tiempo de retención del agua en el tanque, lo que implica un menor rendimiento de los microorganismos. El rendimiento en la eliminación de la DBO₅ varía: 80-90% para cargas medias, 92-95% para cargas bajas y alrededor del 60% para cargas altas. El agua depurada se vierte al cauce con concentraciones de DBO₅ entre 15 y 25 ppm, eliminando así más del 90% de la DBO₅. Concentraciones de entrada muy fuertes pueden requerir una doble etapa.

Sistemas de Aeración

Aerador Superficial (Turbinas)

Un disco horizontal perforado con palas verticales parcialmente sumergidas crea un movimiento vórtice que absorbe, inyecta y mezcla aire con el agua. La zona de influencia, crucial para el dimensionamiento del tanque, se define por el parámetro "L": 6*R ≤ L ≤ 10*R. La profundidad del tanque (calado) depende de la potencia de la turbina y oscila entre 3,0 y 3,7 m, además del resguardo.

• Ventajas: Sencillos, robustos, pocos problemas mecánicos, fácil mantenimiento y acceso.
• Inconvenientes: Peor difusión del oxígeno, más ruidosos, pueden producir aerosoles.

Difusores

Pueden ser de burbuja gruesa, mediana o fina, hechos de material poroso. A mayor finura de la burbuja, mayor transferencia de oxígeno. Los difusores, situados en el fondo del tanque, utilizan soplantes para impulsar el aire. El movimiento helicoidal del agua curva las trayectorias. Existen varios tipos: tubular, disco, domo.

• Ventajas: Altos rendimientos en transferencia de oxígeno, rentables por ahorro energético.
• Inconvenientes: Mayor costo que las turbinas.

Aeradores Sumergidos

Similares a bombas sumergidas, toman agua del tanque y la expulsan, creando una depresión que aspira aire (vénturi).

• Ventajas: Costo intermedio, no producen ruido.
• Inconvenientes: Burbuja mediana con peor transferencia, pocos fabricantes, altos gastos de mantenimiento.

Decantación Secundaria

Similar a la decantación primaria, pero maneja fangos secundarios, formados por flóculos biológicos de menor densidad, lo que requiere velocidades ascensionales inferiores. Los parámetros a considerar son:

• Velocidad ascensional o carga hidráulica superficial: Caudal que entra por superficie del tanque.
• Tiempo de retención: > 3h a Qp, con calado entre 3 y 4 m, y menor de 5 horas para evitar anaerobiosis.
• Carga hidráulica sobre vertedero: Caudal del decantador dividido por la longitud del vertedero.
• Carga de sólidos: Sólidos que llegan al decantador dividido por su superficie.

El decantador secundario se divide en zonas o estratos: agua clarificada (10 cm), separación sólido-líquido (2,5 m), y sedimentación (tronco-cónica). Los fangos secundarios, con 80% de contenido orgánico, requieren oxígeno. Para evitar la anaerobiosis, el tiempo de retención debe ser menor de 5 horas. Se utilizan rasquetas de succión en decantadores con diámetros mayores de 30 metros para facilitar la salida del fango.

Fangos Activos de Doble Etapa

Se utiliza para aguas muy cargadas (600 mg DBO₅/l) o cuando se requiere una alta eliminación de DBO₅ (92-97%). En lugar de un proceso de baja carga, que resulta costoso, se instalan dos tratamientos biológicos en serie. En una doble etapa, la primera reduce la DBO₅ de 600 mg/l a 240 mg/l (60% de rendimiento), mientras que la segunda la reduce de 240 mg/l a 24 mg/l (90% de rendimiento). Se busca que ambas etapas tengan volúmenes similares, con un rendimiento del 70% en la primera y algo menor en la segunda. La etapa A se dimensiona con 2-3 cm y MLSS, buscando que no funcione completamente como biológica para el desarrollo de bacterias y protozoarios, que tienen gran capacidad de mutación y resistencia a vertidos tóxicos. La etapa B se dimensiona de forma convencional. Las decantaciones y recirculaciones de ambas etapas son independientes.

Recirculación de Fangos

El cálculo se realiza mediante un balance de sólidos en el tanque de aeración. La materia orgánica se compone de combinaciones de carbono (carbonada) y nitrógeno (nitrogenada). La oxidación se realiza consecutivamente: primero la parte carbonada y luego la nitrogenada (nitrificación). El control de nutrientes (nitrógeno y fósforo) es importante para evitar la eutrofización. La desnitrificación consiste en romper los nitratos, eliminando nitrógeno gaseoso y utilizando el O₂ del nitrato para oxidar el amoníaco. Se utiliza un tanque con microorganismos heterótrofos desnitrificantes, que utilizan el oxígeno del nitrato, pero no el disuelto. Los procesos se denominan:

• Anóxico: Utiliza el O₂ combinado (de los nitratos).
• Anaerobio: No utiliza O₂.
• Aerobio: Utiliza el O₂ disuelto.