Fundamentos

El diseño convencional de plantas de tratamiento de efluentes, sean industriales o cloacales, lamentablemente rara vez toma en cuenta en el cálculo la presencia y/o tratamiento de constitutivos como fósforo (mg/L) o formas de nitrógeno (mg/L), nitrógeno amoniacal, nitrógeno orgánico, nitritos.

Tal como se comentara en el material de plantas de lodos activados, es realmente absurdo construir una planta de tratamiento, de “punta a punta” (que no falte la desinfección!) y luego apercibirse que el impacto ambiental, expresado como déficit de oxígeno debido a nitrificación o toxicidad en el curso de agua (o eutroficación en el caso de exceso de fósforo), hace palidecer la fracción resuelta por la planta, i.e. simple DBO5.  Basta recordar que por cada unidad de nitrógeno (kg o lb) incluído en el TKN (= índice Kjeldahl, incluye la suma de nitrógeno en formas amoniacal y orgánica), resultará casi cinco veces ese valor en cuando a demanda de oxígeno.  En muchísimos casos, e.g. industriales, es la presencia de nitrógeno amoniacal que finalmente impone la instalación de aireadores , no siendo interceptado por celdas de flotación DAF o reactores o lagunas anaeróbicas, eventualmente hasta aumentando por amonificación.  En proporción al porcentaje presente en la masa celular, la asimilación de nutrientes es modelada por la proporción P:N:BOD5, e.g. 1:5:100.  Es importante notar que constitutivos en exceso de esa proporción no serán asimilados así como remarcar que la actividad biológica ocurrirá fundamentalmente en base a la disponibilidad de nutrientes.  En el caso que el efluente, e.g. industrial, no esté equilibrado puede necesitarse suplementar el proceso empleando ácido fosfórico, hidróxido de amonio (hidrato amónico).  Probablemente la mayoría de los problemas de operación de plantas de tratamiento pueda explicarse por descuidar este punto, i.e. mantener las proporciones, disponibilidad de nutrientes.

A modo ilustrativo, y siendo que en efluentes, e.g. cloacales la presencia de nitrógeno es mayoritariamente en solución (< 0.45µm malla Whatman del test de SS convencional) o coloidal,  la disminución o remoción posible empleando simple clarificación primaria, prácticamente está limitada a aproximadamente un 15% del valor de ingreso.  En el posterior proceso unitario, biológico, la asimilación puede ser del orden de un 10% adicional, lo que suponiendo que todo “funcione bien” logrará un efluente de planta con una remoción conjunta del orden de un 25% del valor de ingreso.   En el caso que tuviésemos la suerte de que haya poca presencia de nitrógeno originalmente, e.g. unos pocos mg/L, la descarga podría ser aceptable.  Sin embargo es casi inmediato plantearse que pasaría si el proceso industrial es tal que el valor de TKN que aparece en la planilla caracterizando el efluente tiene valores de TKN cercanos a 1,000 – 1,2000 mg/L.   Resulta “claro y evidente” (Descartes!) que el diseño convencional resulta inaceptable: la demanda de oxígeno por nitrificación puede ser horriblemente considerable, entre 750 y 900 mg/L en la descarga.  No solamente puede ocurrir que la demanda por nitrificación de la descarga sea destructiva, sino que puede ocurrir (temperaturas y tiempos de retención elevados) que las nitrificantes secuestren el oxígeno de los aireadores, inicialmente planificado para remoción de DBO5, ocasionando valores de decarga en infracción.

En cierta manera, algo similar ocurre con las formas de fósforo (ortofosfato, polifosfato, embebido en compuestos orgánicos): siendo que la presencia es mayoritariamente en solución, la remoción combinada mediante un método físico como clarificación primaria previa y asimilación en el proceso biológico, “convencionalmente” solamente logra niveles de reducción entre 20 y 30%. Probablemente esto haga reflexionar a más de un jefe de planta en instalaciones de rendering, plantas cerveceras o un procesadores de pescado. 

Esta limitación de las plantas de tratamiento de tipo lodo activado convencional, i.e. no incluír simultáneamente tratamiento de nutrientes,  dió lugar a muchísimos estudios y configuraciones de procesos biológicos, cuyas patentes en muchos casos han expirado.  Tal vez bastante menos recomendables en el marco de tratamiento de efluentes, existen naturalmente variantes químicas o “bioquímicas” de remoción de fósforo mediante procesos físico-químicos, i.e. coagulación/ precipitación empleando, e.g. sulfato de aluminio, sales de hierro.  Por completitud mencionemos que, más allá de generalizaciones poco recomendables, puede pensarse para el caso de remoción de nitrógeno amoniacal mediante [air] stripping del efluente o cloración.

BIOFABRICS Y LAS DOS GRANDES ALTERNATIVAS HISTORICAS 

Qué es entonces “biofabrics”?  Por qué existe este minisitio?  Debemos hacer un pequeño repaso de las alternativas propuestas históricamente para el tratamiento biológico de efluentes y de alguna manera ya cubiertas por los otros minisitios de la serie, e.g. www.LodosActivados.com , www.biofiltros.com

En el material de tecnologías de tratamiento basadas en inventarios de biomasa residentes en soporte fijo, sea filtros percoladores o biodiscos (ver www.biofiltros.com y otros capítulos en la sección de Links), notamos en general su posicionamiento probablemente más competitivo en procesos unitarios orientados a funciones o roles de nitrificación.  A riesgo de hacer una “analogía riesgosa”, al igual que para que pueda darse el fenómeno que conocemos como condensación es necesaria una superficie (para condensar sobre ella), en forma algo similar las bacterias autótrofas, nitrificantes, en ausencia de mezclado, deben residir sobre un soporte el cual puede no estar presente en digamos una laguna aireada con unos pocos días de tiempo de detención hidráulica.  De alguna manera, esto explica por qué infinidad de “tecnologías” han sido reposicionadas “estratégicamente” para implementar nitrificación intencional, sean biotorres, biodiscos o humedales, una vez que en un tren de tratamiento previo se realizó fundamentalmente “BOD5 removal.”  La experiencia con todas estas alternativas apunta a un beneficio o consecuencia positiva en cuando a desarrollo de biomasa nitrificante (Nitrosomonas, Nitrobacterias), de incorporar algún tipo de soporte, natural o artificial.  Puede verse con algo más de detalle este punto en www.biofiltros.com.  Más allá de la gran estabilidad o capacidad de asimilación de cargas orgánicas relativamente variables que puede ofrecer un filtro percolador, trickling filter o biotorre (biotower), no siempre es posible lograr una propuesta suficientemente competitiva vs. otras tecnologías, e.g. lodos activados de una o dos etapas.  Probablemente la mejor recomendación sea evaluar cuidadosamente en el inicio y recordar que objetivo tendrá cada bloque.  Un “contraejemplo” puede ayudar.  Supongamos haber instalado una biotorre (i.e. filtro percolador en el cual predomina la dimensión vertical, e.g. h=8m) como pretratamiento aeróbico de un efluente industrial con valores de DBO5 originalmente altos, e.g. 2,000 mg/L.  Hay cambios en el plan de  producción, por ejemplo en el mix de productos elaborados, y las características del efluente cambian, con valores de DBO5 menores y valores de TKN mayores.  Esto puede desembocar en denitrificación no deseada en el sistema de lagunas de mezcla parcial, incluso con retorno, y clarificador secundario – es obvio que el percolador nitrificará en los niveles inferiors, nos guste o no!  No es oro todo lo que reluce y la alternativa de soporte fijo no puede prescribirse en forma indiscriminada. 

Es tiempo entonces de revisar la otra gran “clase” de procesos unitarios o tecnologías de tratamiento basadas en inventarios de biomasa en suspensión, entre las que recordamos clásicamente las lagunas aireadas, sea mezcla parcial o completa, y las plantas de lodos activados (con retorno de biomasa decantada en el clarificador secundario).  En el último caso, sabemos que es frecuente implementar nitrificación intencional en los reactores aeróbicos trabajando con edades de lodo suficientemente altas, lo necesario para el desarrollo de esa biomasa específica (sistemas de una única etapa o único tipo de lodo) o trabajando con dos trenes, el primero para remoción de DBO5 incluyendo su correspondiente clarificador secundario, y un tren posterior, con layout similar, nitrificante.  Algo similar puede plantearse con las lagunas, diseñando con tiempos de detención hidráulica considerablemente mayores, a efectos de intencionalizar instancias de nitrificación.

Una muy buena  manera de formalizar estos comentarios puede ser concentrarnos, para  el diseño de una hipotética planta, en la ya legendaria recomendación de trabajar con cocientes f/m en el rango 0.05 – 0.1 para poder nitrificar, intencionalmente, en el mismo recipiente/tanque en el cual estamos desarrollando el inventario de biomasa (heterótrofo), que se encarga de remoción de DBO5.  Aunque parezca mentira, es relativamente reciente la inclusión en la literatura académica la recomendación de orientar la operación o el diseño de proceso en ese rango.  En cierta manera, el calculista o proyectista de sistemas de aireación difusa en general gustosamente asimilaba esto en la práctica dado que de alguna manera, paliaba las imperfecciones de una tecnología (aireación difusa) que ha recibido una fuerte revision/re-evaluación, crítica, en contextos industriales.  Basta revisar el material de Dr. Musterman y los ensayos recientes de ASCE, parcialmente presentados en el minisitio de lodos activados.

A grandes rasgos podemos conceptualizar dicho parámetro f/m, i.e. “food to mass ratio”, como el cociente entre la masa orgánica que se recibe diaramente y el inventario de biomasa en el tanque:

F/M = (caudal m3/día * BOD5 mg/L) / (volumen de tanque m3 * MLVSS mg/L)

Es bien claro que, en el entendido que las características de entrada no varíen, i.e. el mismo caudal de efluente y el mismo valor de DBO5, las dos únicas maneras (hasta ahora!) de llevar a trabajar el sistema a valores menores de f/m es 1. aumentar el volumen del tanque o 2. aumentar el inventario de biomasa existente en el mismo.  El primer camino es obvio pero no siempre practicable.  El segundo camino será posible en la medida que el clarificador secundario lo permita, i.e. mejorar (aumentar) los SS del lodo de retorno.  No es necesariamente afirmativo que esto pueda hacerse.  Por otro lado, podemos recordar el riesgo crónico de las plantas de lodos activados de perder inventario de biomasa por excesos hidráulicos. 

Es recién en este momento, con las disculpas del caso, que podemos comenzar a “entrar en el verdadero tema” de este minisitio: biofabrics.  De la misma manera que se vió en los sistemas de biodiscos la necesidad de auxiliar al soporte plástico con difusores en el fondo del tanque, y de la misma manera que los filtros biológicos o biotorres encontraron el beneficio de suministrar aire (oxígeno) a lo largo del núcleo del filtro biológico para promover la actividad de los organismos, las instalaciones de lodos activados vieron la posibilidad de fortificar su rendimiento (aumento de inventario de biomasa, posibilidad de nitrificar en el mismo reactor) empleando toda una sarta de “accesorios” de distinto tipo similar a rellenos sin estructura o random e.g. pequeñas ruedas con forma similar a cilindros con ranuras similares a engranajes, sogas, franjas o láminas sin vincular, mallas o tejidos sintéticos, que de alguna manera, aunque tal vez imperfecta, hemos agrupado bajo una categoría un poco heterogénea: biofabrics, i.e. superficies o tejidos sintéticos que favorecen o fomentan el desarrollo microbiológico sobre los mismos.  El objetivo de todas estas “tecnologías”, muchas de ellas con poca información disponible, es el mismo ofrecer un soporte artificial que simultáneamente favorezca el dearrollo de organismos residentes y que de alguna manera contribuya a retener biomasa en la celda óxica.

BENEFICIOS

     Qué beneficios pueden tener estos tejidos sintéticos o superficies, lease biofabrics?  Increíblemente muchos:

• disminución del cociente F/M como resultado de aumento del inventario de biomasa
• posibilidad de llevar a cabo nitrificación sin necesariamente requerir obra civil (agrandar tanques) o variar el bombeo/”edad de lodos
• mejoramiento de las características de decantabilidad en el clarificador secundario y control de organismos filamentosos
• permitir nitrificación completa sin sobrecargar el secundario
•  permitir la remoción simulánea nutrients, i.e. P y N/TKN, en una planta de lodos activados de una sola etapa, alternanto celdas anaeróbicas, anóxicas y óxicas.

El desarrollo de estos sistemas combinados, i.e. planta de lodos activados con auxilio de soporte sintético es relativamente reciente y en muchos casos, los detalles de las distintas “tecnologías” son celosamente velados, obviamente hasta las “fuerzas del mercado” empiezan a quebrar estas “defensas”, herencia probablemente de estructuras preInternet, para beneficio de usuarios.  En realidad este concepto de sistemas híbridos, ha visto variantes hace ya más de 60 años!   Afortunadamente tenemos hoy disponible una enorme facilidad de caracterización en los laboratorios, ensayos a escala real de tecnologías y métodos de registro/muestreo y cálculos que nos permiten trabajar con un muy buen grado de predictibilidad, aún a nivel preliminar.

Suplementaremos detalles de las distintas alternativas y diseños en la sección de aplicaciones.   De todas maneras, y fundamentalmente por los comentarios anteriores, debemos tener presente que si bien la incorporación de biofabrics en una planta es probablemente una buena decisión, la tecnología subyacente, i.e. aireación difusa, sea tubular o mediante discos, ha documentado deterioros en las eficiencias de transferencia de oxígeno significativas en pocos meses, e.g. 25%.  En nuestra experiencia, es muy fácil cometer un error conceptual que frecuentemente mediatiza o anula el objetivo de una planta.  Lamentablemente la mera construcción, obra civil o equipamiento, no es el objetivo; la función de la planta comienza en la operación, aspecto que frecuentemente  parece extraviado y que perjudica tanto a la municipalidad como al inversor industrial, dado que en ambos casos la erogación se realizó pero la prestación real no existe.  También en nuestra experiencia notamos que en general la “versión correcta” no hubiese significado montos mayores y si probablemente menores.  Recordemos que en todo esto lo que perseguimos es que la naturaleza trabaje para nosotros.  En muchos casos la recomendación no es equipamiento adicional sino tiempos de residencia generosos o equilibrio en la descarga.   No es buena práctica intentar competir con alguien que tiene millones de años de perfeccionamiento.  Lo mejor es procurar entender su lenguaje y desviar su capacidad a nuestro favor. 

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