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Probablemente la aplicación más difundida de procesos de lodos activados sean las configuraciones de remoción de DBO5 en sus distintas variantes, más o menos entrelazadas, sea del punto de vista "hidráulico"/tiempos de residencia (e.g. 6 horas, 4 días), edad de lodos (debido a la recirculación de biomasa y necesidad de mantener un valor de MVLSS en el tanque de aireación), cociente f/m (i.e. carga orgánica recibida dividido inventario de biomasa del tanque). En algunos casos el diseño puede incluir nitrificación intencional (sería lo correcto) y un compartimento o zona anaeróbica para asimilar superavits de fósforo presente. Sea mediante el auxilio de aireadores mecánicos (alta o baja), sistemas de difusores (tubo o discos), mezcladores aireadores submerses u otra variante, la idea es la misma: suministrar oxígeno para el proceso biológico y garantizar suficientemente los niveles de mezcla de manera de permitir la interacción prevista entre todos los constitutivos, i.e. microorganismos, material soluble, nutrientes, oxígeno, en todo el volumen del reactor. Podemos definir "mezcla completa" diciendo que tomado cualquier muestreo de cualquier constitutivo en particular, difieran sus valores menos de 10%. En sistemas de difusores es habitual tomar como criterio de mixing suminstrar 0.12 cfm por sq.ft. fondo de tanque; en el caso de aireación mecánica de habla de aproximadamente 100 HP por cada mg (c. 3785 m3) de tanque o aproximadamente 0.75 HP por cada 1,000 cu.ft. Sin embargo, véase que distinto es el comportamiento o rendimiento de los distintos tipos de tecnología de aireación con el aumento de densidad de potencia, expresado digamos en HP por cada mil cu.ft.:

Dentro de las generalizaciones más o menos admitibles, esto explica por qué los buenos proyectistas y fabricantes de sistemas de difusores en general tratan de trabajar con valores de f/m cercanos o menores a 0.1, o en forma más o menos equivalente a no pasar de las 20lbBOD/day por cada 1,000 cu.ft. Tanto del punto de vista del proceso (mucho más estable, menor generación de lodos, más buffer para acomodar desarreglos, lodos más obedientes en cuanto a su decantación en el secundario) como [más] óptimo contexto de funcionamiento para la tecnología de difusores, siempre van a tratar de mantenerse bordeando 0.75 – 1 HP per 1,000 cu.ft. Lamentablemente no todos los proveedores de difusores brindan apoyo técnico a los integradores, lo cual no ayuda para nada la difusión de dichos sistemas. Por otro lado, en el caso de difusores de membrana, siempre existe el peligro de deterioro inesperado o precoz por algún tipo de incompatibilidad de materiales. Probablemente en una instalación industrial o de porte, e.g. 200 … 1200 HP y más, aireación mecánica, especialmente de baja rotación (30% más oxígeno que los modelos de alta rotación; mayor durabilidad/vida útil) sea la mejor opción. En realidad aún cuando ambos sistemas (difusores vs. mecánico) estén trabajando a niveles de concentración mayores, e.g. 50 lbBOD/day per 1,000 cu.ft. los primeros (sistemas de difusores) están siendo extremadamente "re-evaluados" debido a la demonstrable caída de rendimiento experimentable al poco tiempo (8 - 12 meses), llegando a disminuciones del orden de 14 y 24% debido a fouling. El trabajo de Musterman, el mejor paper en aireación de los últimos tiempos, puede servir como base para este creciente revisionismo de tecnologías. Esto explica por qué en todos nuestros diseños de cortesía se incluye un margen de seguridad para la alternativa de difusores del orden de 30%, aunque Ud. no lo crea. Con esta corrección interna, probablemente sólo "recusable" por un número limitado de proveedores de tubos a nivel mundial, se pierde notablemente la "ventaja" que inicialmente se pregonaba en el marketing de sistemas de difusores, sea de tubo o discos. Si a esto sumamos la inherente dependencia en el buen humor o integridad de la casa matriz, en el caso de un percance, es bien claro que algunos de nosotros no pensaríamos en sistemas de difusores como primera alternativa, al menos para una obra industrial, de riesgo o de porte. De la noche a la mañana podemos pasar de tener una planta de 2 o 3 mgds a no tener "nada." Esto nos deja a grosso modo, equipos robustos como las unidades de baja rotación o algunos modelos de aireadores mezcladores submerses. Descartamos aún en la fase preliminar los aireadores flotantes de eje inclinado, a 1 lbO2/h per HP nos entregan la mitad de oxígeno que el aireador flotante de alta velocidad, el menos eficiente de los aireadores mecánicos. Parte de esto está comentado en www.aireadores.net y www.difusores.net

A modo de ilustración de la "gravedad" del "fouling" de los sistemas de difusores, vs. aireación de baja rotación, es extremadamente persuasiva la siguiente figura, resultado de testeados ASCE:

Estos resultados coinciden con las conclusiones de Dr. Jack Musterman:

"Fouling of medium- and fine-bubble diffusers is a chronic problem that causes a decrease in AOTR at the expense of higher operating pressures and power costs... Owners, operators, and suppliers of oxygenation systems should expect that AOTR performance and acceptance tests will be conducted after a reasonable period of in-situ service (e.g. 6 to 12 months) rather than for the "as-new" condition. The adverse effects of fouling on medium to fine bubble diffusers dictate that coarse bubble type and mechanical oxygenation alternatives be evaluated in terms of their maintenance requirements, reliability and life-cycle costs."

El lector puede "estudiar" estos conceptos suponiendo tener que equipar una instalación industrial ilustrativa. 

Proporciones P:N:DBO5

Siendo que en este fascículo lo que nos interesa son comentarios de proceso y no de equipo, es importante tener en cuenta que la remoción de BOD5 se realizará en la medida en que esté presente una proporción de fósforo y nitrógeno (P:N:BOD5 = ca. 1:5-10:100, ortofosfato, NH3-N y CBOD5) similar a la composición en seco de masa celular. En aguas residuales municipales frecuentemente pueden no necesitarse ajustes; en obras industriales son clásicos los desbalances, e.g. exceso de fósforo en cervecerías, amoníaco en criaderos, entre otros. Todo lo que exceda en proporción seguirá de largo y deberá resolverse mediante nitrificación intencional en la celda óxica, denitrificación en la celda anóxica y asimilación anaeróbica de fósforo previa. El manual de la EPA o el sitio de patentes ejemplifica muchas de las configuraciones usuales de celdas, e.g. anaeróbica/anóxica/óxica (A2O). Por otro lado, en el caso que haya deficit de nutrientes pues habrá que agregarlos, e.g. via hidróxido de ammonia y ácido fosfórico. La remoción de BOD5 será proporcional a la cantidad equilibrada de nutrientes, al menos la debida a mecanismos biológicos. A modo de ejemplo, mayoritariamente disuelto, el nitrógeno amoníacal atraviesa en forma implacable lagunas anaeróbicas, celdas de flotación hasta potencialmente causar su demanda de oxígeno en la zona de aireación o cuerpo de agua

Dado que por cada unidad de "TKN" se requieren aproximadamente 4.5 unidades de oxígeno, es obvio que en el caso de nitrificación espontánea (largos tiempos de retención, calor, desequilibrio en la alimentación orgánica de la planta) las bacterias autotróficas (nitrificantes a partir de superavits de TKN) confiscarán cualquier oxígeno disponible, secuestrando el previsto para remoción de CBOD5, la cual naturalmente NO podrá ocurrir. Este apercibimiento es el que ha provocado que, independientemente de cualquier marco regulatorio, sea deseable tener la nitrificación controlada/prevista dentro de la planta. Claramente no con el empeño de "cumplir con la legislación" sino para la operación/control exitoso del proceso y por ende, la planta.

 

 

Síntesis de ideas más importantes:

1. el trabajo es realizado por microorganismos no máquinas

2. en vista de 1. el tiempo de retención hidráulica y/o la edad de lodos son extremadamente importantes dado que "ignorarles"  puede significar expender aire ($$$) en un "acuario vacío"

3. poco sentido tiene suministrar oxígeno en una zona si este no es distribuído en todo el reactor (zonas muertas) o los constitutivos no tienen oportunidad de interactuar entre sí (de ahí la necesidad de tomar el valor mayor, sea HP de oxigenación o HP mezcla completa, incluyendo prevención de decantación indeseada de biomasa en los reactores)

4. como primera alternativa debemos retirar del caudal a tratar todo lo que sea separable físicamente, y sólo diseñar el biológico para la fase soluble (sBOD5, TKN); es altamente probable que en el pretratamiento recuperemos material comercialmente valioso, e.g. grasas y aceites, combustible, sin auxilio de productos químicos

5. el impacto ambiental indirecto debido a superavits de TKN y P puede ser notable e infelizmente muy superior a lo que pretendimos resolver proyectando sólo en base a DBO5

6. El mejor socio para tratamiento de agua, las "artes" químicas; el mejor socio para tratamiento de efluentes: la Naturaleza

7. La solución a muchos problemas ambientales no es tecnología sino el conocimiemto de "como funcionan [ciertas] cosas" – probablemente el 90% del conocimiento necesario ya está en el acervo de un egresado o profesional responsable de formación no especializada.

 

Observaciones finales de tipo técnico

En el caso de instalaciones basadas en sistemas de difusores es posible disminuir la inversión a realizar profundizando los tanques, e.g. de 3.10m a 4.70m.. Si bien el BHP requerido se mantendrá a grosso modo dentro de valores similares, se logra un abatimiento en la cantidad de tubos que debe emplearse dentro del reactor.  A grosso modo,  y a fin de reiterar la idea, duplicando la profundidad de los tanques, e.g. de 1.80m a 3.60m, requiere la mitad de equipamiento interno que el que debería seleccionarse para la profunidad original (1.80m).  Esto es extremadamente importante en los sistemas de lagunas naturales que deseen "migrar" a sistemas de difusores con alimentación mediante  laterales flotantes en polietileno y línea de aire al banco de difusores, suspendidos o apoyados en el fondo de la laguna.  

El sedimentador secundario puede implementarse con el clásico decantador con barredor de fondo o ramales de aspiración de lodo, o bien mediante celdas de flotación. En el caso de sedimentador secundario convencional, en general podremos esperar valores de SS de 0.5 y 2%. Con este valor, que en general tomamos por default 0.5% y la edad de lodos indicada por el proyectista, se determina el caudal a retornar al tanque de aireación, planteando un sencillo balance de masa en el sedimentador secundario y agregando la "ecuación" de la edad de lodos. Es importante también agregar que a continuación del sedimentador secundario muy probablemente deberemos agregar un espesador (con torques bastante más importante que el secundario) que procurará concentrar los fangos a valores de 4% en sólidos, valor tradicionalmente estipulado para unidades de deshidratación, e.g. filtros de banda. En el caso de emplear celdas de flotación, podremos obtener entre un 3-4% de sólidos en el flotsam con un diseño muy sencillo como incluimos en el inserto, alternativa de celda de flotación para el ejemplo industrial presentado más arriba.

En general el contexto más apropiado para la tecnología de tipo aireador mezclador submerso (SAMs) es probablemente la implementación de SBRs (alimentación por lotes), en contextos industriales y con tanques cilíndricos de no menos de 6 m de profundidad. Aún así puede no ser la mejor opción y probablemente sea al revés, i.e. dado una instalación SBR, contexto industrial, empleando o disponiendo de tanques de gran profundidad, e.g. 6m o más, sea la mejor o única alternativa de optimización: los aireadores de superficie quedan afuera, los difusores pueden no logran mezclar adecuadamente y los dispositivos tipo jet puede desintegrar los flocs de biomasa en forma contraproducente. Aún así no todos los aireadores de "tipo" SAM tienen las mismas características por lo cual es extremadamente insensato concluir generalizaciones fuera de contexto.

En casi todos los casos, los cálculos se realizan con planillas electrónicas, nomógrafos o valores standard.  De todas maneras pueden emplearse pautas macro/standard a efectos de razonablemente elaborar dimensionamientos preliminares/ "orden de magnitud" para varios procesos unitarios incluyendo las configuraciones más comunes, i.e. proceso de lodo activado convencional y aireación extendida.

 

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