Comparación de 5 sistemas y procesos de aireación de aguas residuales

Los procesos de aireación para tratar las aguas residuales utilizan el oxígeno como ayuda en un proceso biológico natural. Existe una gran variedad de procesos de aireación disponibles para empresas y municipios que necesitan tratar aguas residuales, ya sea para su eliminación o reutilización. Este artículo analiza en profundidad cinco métodos estándar de aireación: el proceso de fangos activos (ASP), el reactor discontinuo secuencial (SBR), el biorreactor discontinuo secuencial (SBBR), el biorreactor de membrana (MBR) y el reactor de biopelícula de lecho móvil (MBBR) . Hacer comparaciones directas ayudará a explicar cómo funciona cada uno de estos métodos.

Cada uno de estos procesos ofrece ventajas e inconvenientes, que vamos a analizar. El MBBR aprovecha los puntos fuertes de los procesos de aireación y ofrece ventajas únicas que lo diferencian de otros procesos de aireación. Los MBBR permiten tratar eficazmente las aguas residuales en busca de contaminantes orgánicos, llevar a cabo la nitrificación y desnitrificación y hacerlo todo con un impresionante nivel de eficacia.

El proceso de aireación más utilizado para tratar las aguas residuales es el proceso de fangos activados (ASP). Los investigadores desarrollaron el concepto de ASP hace algo más de un siglo, y mucha gente sigue considerando la iteración moderna de este proceso como el medio estándar de tratamiento biológico de las aguas residuales. Este proceso utiliza aireación y flóculos para separar los lodos del agua.

Con ASP, el afluente entra en un tanque de aireación, inyectándole oxígeno. Este oxígeno adicional permite que los microorganismos se multipliquen y crezcan para poder descomponer los residuos orgánicos del agua. A continuación, el agua pasa a un decantador, también conocido como clarificador. En este punto, los microorganismos se depositan en el fondo del tanque. Estos microorganismos también se denominan flóculos biológicos o manto de lodos. A medida que el lodo se asienta, el agua restante es más limpia.

Este líquido claro fluye fuera del tanque de sedimentación, y parte del lodo del fondo se recicla de nuevo en el tanque de aireación, donde puede trabajar para descomponer los residuos orgánicos en un nuevo lote de aguas residuales. A medida que este proceso continúa, aumenta la cantidad de microorganismos en el tanque, lo que permite un tratamiento más eficaz, siempre que se disponga de suficiente oxígeno para alimentar a los microorganismos.

Los lodos activados han sido durante mucho tiempo un método popular porque ofrece algunas ventajas. ASP lo es:

• Un método fiable de tratamiento en general
• Más familiar para muchos operadores en comparación con procesos innovadores como el MBBR
• Suficientemente flexible para manejar diferentes tipos de cargas

Aunque la ASP sea la forma original de tratamiento biológico de las aguas residuales, no es la más eficaz ni eficiente. ASP:

• La calidad de los efluentes que produce es algo irregular
• Ocupa más espacio que algunos sistemas
• Requiere mucho trabajo para funcionar

Un sistema de aireación de reactor discontinuo secuencial (SBR) es similar a un proceso de lodos activados. La diferencia fundamental es que este sistema utiliza un solo tanque para todas las etapas del tratamiento, en lugar de utilizar equipos diferentes para cada etapa del proceso. Como sugiere el término "secuenciación", el SBR utiliza el tiempo, en lugar del espacio, para cumplir sus objetivos de tratamiento de aguas residuales. Este tipo de sistema se originó ya en 1914, según la Agencia de Protección Medioambiental (EPA). Los reactores discontinuos de secuenciación siguen siendo de uso común en la actualidad.

El diseño del sistema SBR utiliza una secuencia cuidadosamente programada para llevar a cabo subprocesos como la ecualización, la aireación y la sedimentación, todo ello en el mismo tanque. Lo hace mediante un ciclo establecido que suele constar de cinco pasos. En primer lugar, en el proceso SBR, un operario llenará el depósito con el afluente. A continuación, la aireación y los microorganismos comienzan a facilitar una reacción biológica. Una vez concluida esta etapa, tiene lugar la clarificación, lo que significa que los lodos empiezan a sedimentarse. Normalmente, este proceso tendría lugar en un tanque diferente, pero con el SBR, ocurre en el mismo tanque que sirvió de reactor para el proceso biológico.

Una vez finalizado el proceso de clarificación, el operario retira el efluente tratado del depósito y bombea los lodos residuales. Este último paso del proceso se conoce como inactividad. Una vez alcanzado este punto, el sistema SBR puede volver a empezar, introduciendo un nuevo lote de influente en el tanque y avanzando una vez más por la secuencia de subprocesos que convierten las aguas residuales contaminadas en efluente tratado.

Como ocurre con muchos otros tipos de procesos de aireación, el SBR suele formar parte de un marco más amplio de tratamiento de aguas residuales. Otras etapas, como la desarenación, pueden venir antes, y otras, como la desinfección, pueden venir después. En algunos casos, el SBR por sí solo puede funcionar como único medio de tratamiento de las aguas residuales, dependiendo de la calidad del afluente y de la calidad deseada del efluente.

Las ventajas de utilizar SBR incluyen que:

• Se adapta a diferentes volúmenes de afluente
• Funciona con controles automatizados
• Requiere menos espacio que un sistema con varios depósitos

Las desventajas de este proceso incluyen que:

• Requiere controles y unidades de temporización sofisticados
• Requiere más mantenimiento que los sistemas convencionales
• Es propenso a problemas como el vertido de lodos en momentos inadecuados y la obstrucción del sistema de aireación

El proceso SBBR se parece mucho al SBR, ya que es una variación del mismo. La principal diferencia es que el SBBR incluye un componente de crecimiento en suspensión. Así, en lugar de utilizar únicamente la aireación para facilitar una reacción biológica, se mezclan en el tanque materiales de soporte, como medios plásticos. El mejor tipo de material de soporte a utilizar depende de los tipos de contaminantes biológicos presentes en las aguas residuales y de los objetivos del tratamiento. La biopelícula crecerá en el material de soporte y los microorganismos descompondrán los residuos en el agua.

La conversión de los sistemas SBR existentes en sistemas SBBR implica la adición de los portadores necesarios para una reacción biológica de crecimiento suspendido. Dado que el SBBR es un proceso más reciente en comparación con los sistemas SBR tradicionales, los nuevos equipos diseñados para SBBR pueden automatizar al máximo el proceso con sistemas de control dinámico inteligentes. Estos sistemas mejoran los sistemas tradicionales de control del tiempo asociados a los SBR.

Un estudio analizó las capacidades de un SBBR con un sistema de control inteligente y descubrió que, en comparación con el SBR, era capaz de reducir el TRH y mejorar el rendimiento en la eliminación de la demanda química de oxígeno. Una de las razones por las que el SBBR es más eficaz que el SBR es que puede eliminar simultáneamente fósforo y nitrógeno.

Ya hemos visto algunas de las ventajas del SBBR sobre el SBR. En general, este proceso ofrece algunas ventajas significativas. SBBR:

• Es más eficaz que el SBR
• Puede automatizarse totalmente
• Ocupa poco espacio

Las desventajas del SBBR son que:

• Es un sistema caro
• No puede eliminar todos los sólidos en suspensión
• Es propenso a algunos de los mismos problemas que el SBR

El biorreactor de membrana (MBR) es un sistema de tratamiento de aguas residuales que combina un proceso de membrana con un método de tratamiento biológico de crecimiento suspendido. Normalmente, la membrana es de microfiltración a baja presión o de ultrafiltración, y la etapa de crecimiento en suspensión es un proceso de lodos activados. Este sistema combinado vio su primer uso comercial a finales de los años 60, para el tratamiento de aguas residuales en barcos. Desde sus inicios, la tecnología MBR se ha convertido en una opción popular para el tratamiento de aguas residuales de todo tipo.

La primera parte del MBR tiende a parecerse exactamente a un proceso estándar de lodos activados. Sin embargo, en lugar de pasar a un tanque de sedimentación tras pasar por el proceso de fangos activados, el agua pasa por una membrana que elimina eficazmente los sólidos. El tamaño de los sólidos que deben eliminarse del agua determinará el tipo de membrana semipermeable que debe utilizarse. Las membranas con poros diminutos de alrededor de 0,1 μm de diámetro son membranas de ultrafiltración. Las membranas con poros de hasta 10 μm son membranas de microfiltración.

Existen dos configuraciones fundamentales para el funcionamiento conjunto del reactor biológico y las etapas de membrana. Un modelo es el interno, o sumergido, en el que la membrana forma parte del reactor biológico y se sumerge en las aguas residuales. El otro modelo es externo, a menudo llamado sidestream, en el que el proceso de membrana y el reactor biológico están separados. El modelo de flujo lateral es la configuración más común para un sistema MBR.

Cada sistema MBR tendrá un aspecto un poco diferente en función de las necesidades de filtración de un municipio o empresa concretos. Algunos sistemas MBR incluyen muchos subsistemas separados que trabajan para eliminar todos los contaminantes.

Los biorreactores de membrana ofrecen algunas ventajas, como que:

• Producción eficaz de efluentes de alta calidad
• Ocupan la mitad de espacio que los procesos estándar de fangos activados
• Producen menos lodo, y este lodo contiene menos agua en comparación con otros procesos

Los sistemas MBR también tienen algunas desventajas, como el hecho de que:

• Tienen costes de funcionamiento más elevados que muchos otros sistemas
• Necesidad de limpiar la membrana
• Puede requerir productos químicos adicionales en el proceso

Por último, hay que examinar otro método innovador de aireación: el reactor de biopelícula de lecho móvil (MBBR). Este proceso, desarrollado a finales de los 80 y principios de los 90, utiliza una biopelícula adherida a miles de pequeños medios de plástico para descomponer los residuos presentes en el afluente de un tanque de aireación. El MBBR requiere cierta supervisión, pero en gran medida se modera por sí mismo, ya que los microorganismos del tanque pueden responder de forma natural a las fluctuaciones del tipo y la cantidad de residuos en el agua.

En un proceso MBBR, el afluente entra en un tanque de aireación, también llamado reactor, lleno de miles de pequeñas piezas de plástico llamadas soportes o media. Estos medios maximizan la superficie que ofrecen para que crezcan los microorganismos y tienen una densidad similar a la del agua, por lo que se mezclan bien en todo el tanque.

Una rejilla de aireación también ayuda a que el medio se mezcle en el tanque y proporciona un suministro continuo de oxígeno. Como en otros procesos de aireación, el oxígeno adicional en el tanque alimenta a los microorganismos para que puedan trabajar eficazmente sobre la materia orgánica del agua. Un tamiz de malla mantiene los medios dentro del tanque para que no se escapen.

Como la biopelícula del medio descompone los residuos en el depósito, el agua que sale se trata eficazmente. Además de eliminar los residuos orgánicos, los MBBR también pueden desempeñar un papel en los procesos de nitrificación y desnitrificación. A diferencia de procesos como ASP, no hay necesidad de un tanque de sedimentación, y el efluente tratado tiende a ser más limpio.

El MBBR tiene algunos puntos fuertes únicos que lo convierten en una mejora de muchas otras técnicas de aireación para el tratamiento de aguas residuales. Algunas de las ventajas del MBBR son que:

• Ocupa poco espacio, ya que sólo utiliza un depósito y maximiza la superficie a través de los soportes
• Es un proceso de bajo mantenimiento que no requiere tareas como el lavado a contracorriente o la limpieza de las membranas
• Resiste eficazmente las cargas de choque y puede responder a las variaciones del afluente
• Es excepcionalmente eficiente, con un HRT bajo de alrededor de tres a cuatro horas para la demanda bioquímica de oxígeno y la eliminación de nitrógeno

El MBBR presenta desventajas mínimas. Cabe señalar que MBBR:

• Requiere una vigilancia continua, aunque requiere una intervención mínima
• Puede atraer insectos con modelos de sistemas específicos no diseñados para mantenerlos alejados

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Los procesos de aireación del tratamiento de aguas residuales aprovechan los procesos naturales para crear eficazmente un efluente más limpio. Sin embargo, no todos los procesos de aireación son iguales. Cada proceso tiene sus ventajas e inconvenientes. Cualquiera que necesite elegir el mejor método de tratamiento para sus instalaciones puede considerar la tecnología de reactor de biopelícula de lecho móvil.

El MBBR ofrece más ventajas que otros sistemas y presenta mínimas desventajas. Para saber más sobre MBBR, tómese un tiempo para echar un vistazo al EEVolved MBBR de SSI Aeration, Inc. Como líderes de la industria, SSI ofrece lo mejor en tecnología MBBR. El sistema de SSI puede tratar eficaz y eficientemente las aguas residuales para su eliminación segura y responsable o su reciclado para su uso en procesos industriales o en un sistema de alcantarillado.

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