El objetivo principal del tratamiento de aguas residuales urbanas es eliminar contaminantes como DQO, DBO₅, TN y TP de las aguas residuales para cumplir con los estándares de descarga (cumplimiento generalizado del estándar Clase A del "Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas" GB 18918-2002). Los procesos principales actuales se centran en el tratamiento biológico, combinado con unidades de pretratamiento y tratamiento avanzado, formando un proceso completo de "pretratamiento - tratamiento central - tratamiento avanzado - eliminación de lodos". A continuación se proporciona una introducción detallada a los seis procesos más utilizados, que cubre sus principios, parámetros clave, ventajas y desventajas y escenarios aplicables, al mismo tiempo que se consideran los detalles técnicos y la viabilidad de ingeniería.
I. Proceso Básico Clásico: Proceso Tradicional de Lodos Activados
1. Principio del proceso
Utilizando lodos activados como núcleo, en condiciones aeróbicas, los microorganismos adsorben y degradan los contaminantes orgánicos en las aguas residuales, logrando la purificación de las aguas residuales mediante la separación de lodos-agua. Proceso central: Criba de barras → Cámara de arena → Tanque de sedimentación primaria → Tanque de aireación → Tanque de sedimentación secundaria → Desinfección y descarga; Los lodos residuales se concentran, se deshidratan y luego se eliminan.
2. Parámetros clave de diseño
* Tiempo de Retención Hidráulica (HRT): 8-12h, con HRT Mayor o igual a 6h en el tanque de aireación;
* Tiempo de Retención de Lodos (SRT): 3-5d (solo aplicable a remoción de materia orgánica, sin funciones de remoción de nitrógeno y fósforo);
* Carga orgánica (F/M): 0,2-0,4 kg DBO₅/(kgMLSS·d);
* Concentración de OD en el Tanque de Aireación: 2-3mg/L, utilizando aireación forzada o aireación mecánica.
3. Ventajas y desventajas
* Ventajas: Tecnología madura, operación estable, alta eficiencia en el tratamiento de materia orgánica (tasa de eliminación de DBO₅ 85%-90%) y costo de inversión relativamente bajo;
* Desventajas: No tiene funciones de eliminación de nitrógeno y fósforo, lo que dificulta el cumplimiento de los estándares actuales de Clase A; gran producción de lodos, propensos a la formación de masas filamentosas; Gran huella y consumo de energía relativamente alto.
4. Escenarios aplicables
* Adecuado para plantas de tratamiento de aguas residuales-construidas inicialmente con estándares de descarga bajos, o como unidad de pretratamiento para aguas residuales industriales; Actualmente, rara vez se utiliza solo en proyectos nuevos, sino más bien como módulo básico para la mejora de procesos.
II. Procesos convencionales de eliminación simultánea de nitrógeno y fósforo: A²O y procesos modificados
1. Principio del proceso
El proceso A²O (anaeróbico-anóxico-aeróbico) logra la eliminación simultánea de nitrógeno y fósforo mediante la acción sinérgica de tres zonas: las bacterias acumuladoras de fósforo-liberan fósforo en la zona anaeróbica, las bacterias desnitrificantes eliminan nitrógeno en la zona anóxica y las bacterias nitrificantes nitrifican y las bacterias acumuladoras de fósforo-absorben fósforo en la zona aeróbica. La versión modificada (con la adición de un tanque pre-anóxico) resuelve el problema de competencia de la fuente de carbono entre la desnitrificación y la eliminación de fósforo, mejorando el efecto de eliminación de nitrógeno y fósforo. Proceso central: Pretratamiento → Tanque anaeróbico → Tanque pre-anóxico → Tanque anóxico → Tanque aeróbico → Tanque de sedimentación secundaria → Tratamiento avanzado → Descarga.
2. Parámetros clave de diseño
TRH total: 10-12 h, relación TRH anaeróbica:anóxica:aeróbica=1:3:5;
Tiempo de retención de lodos (SRT): 10-12 días a temperatura ambiente, 15 días a baja temperatura (para equilibrar los requisitos de nitrificación y eliminación de fósforo);
Relación de recirculación: Relación de recirculación de licor mezclado 200%-300% (frecuencia variable ajustable), relación de recirculación de lodos 50%-80%;
Control de OD: Zona anaeróbica Menor o igual a 0,2 mg/L, zona anóxica Menor o igual a 0,5 mg/L, zona aeróbica 2-3 mg/L.
3. Ventajas y desventajas
Ventajas: Excelente eficiencia de eliminación de nitrógeno y fósforo (tasa de eliminación de TN del 70% al 80%, tasa de eliminación de TP del 80% al 90%), cumpliendo consistentemente con los estándares de Clase A; tecnología madura, costo operativo moderado, adecuada para aguas residuales municipales con grandes fluctuaciones en la calidad del agua;
Desventajas: Existen inconsistencias en los parámetros entre la eliminación de nitrógeno y fósforo (SRT, los requisitos de relación de recirculación entran en conflicto); las aguas residuales de fuentes bajas-de carbono requieren la adición de una fuente de carbono externa; huella un poco más grande.
4. Escenarios aplicables
Actualmente es el proceso preferido para nuevas construcciones, ampliaciones y mejoras de plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, especialmente adecuado para proyectos de aguas residuales municipales que requieren un control simultáneo de las emisiones de nitrógeno y fósforo. También se puede adaptar a aguas residuales complejas que contienen pequeñas cantidades de aguas residuales industriales (es necesario ajustar el coeficiente de biodegradabilidad).
III. Proceso compacto y de alta-eficiencia: proceso MBR (biorreactor de membrana)
1. Principio del proceso
Este proceso combina la tecnología de separación por membranas con el tratamiento biológico, reemplazando el tanque de sedimentación secundario con módulos de membranas para lograr una separación eficiente del agua y los lodos. Flujo central: Pretratamiento → Tanque biológico (se pueden utilizar configuraciones A²O, SBR, etc.) → Tanque de membrana → Desinfección y descarga. Los módulos de membrana pueden retener microorganismos, manteniendo una alta concentración de MLSS en el tanque biológico y mejorando la nitrificación y la eliminación de materia orgánica.
2. Parámetros clave de diseño
Concentración de MLSS: 6000-8000 mg/L (significativamente mayor que los procesos tradicionales);
Tiempo de retención de lodos (SRT): 20-30 días (nitrificación mejorada, adecuada para aguas residuales de baja temperatura y bajo C/N);
Flujo de membrana: 10-20 L/(m²·h), requiriendo limpieza física/química periódica;
Consumo de energía: 0,6-1,0 kWh/m³ (incluido el consumo de energía de aireación y succión de membrana).
3. Ventajas y desventajas
Ventajas: Excelente calidad del efluente (TN menor o igual a 8 mg/L, TP menor o igual a 0,3 mg/L), cumpliendo con los requisitos para mejorar a una calidad de agua cercana a-Clase IV; la huella es sólo 1/3-1/2 de la de los procesos tradicionales; sin riesgo de pérdida de lodos, alta estabilidad operativa;
Desventajas: Alto costo del módulo de membrana (que representa entre el 30% y el 40% de la inversión total); mantenimiento complejo (propenso a obstruirse), altos costos operativos; Mayor consumo de energía que los procesos biológicos tradicionales.
4. Escenarios aplicables
Adecuado para áreas centrales urbanas con recursos de tierra limitados, proyectos de mejora con estándares estrictos de efluentes o escenarios especiales de calidad del agua, como baja temperatura y baja relación C/N; También es aplicable al tratamiento descentralizado de aguas residuales (por ejemplo, comunidades residenciales, parques industriales).
IV. Proceso resistente a cargas de impacto: proceso de zanja de oxidación
1. Principio del proceso
Utilizando un reactor de zanja en forma de anillo-, las aguas residuales circulan dentro de la zanja a través de cepillos o discos giratorios para aireación, creando zonas aeróbicas y anóxicas alternas para lograr la degradación y desnitrificación de la materia orgánica. Las configuraciones comunes incluyen zanjas de oxidación de carrusel, zanjas de oxidación Orbal y zanjas de oxidación integradas (incluidos tanques de sedimentación secundarios).
2. Parámetros clave de diseño
HRT total: 15-25 h (largo tiempo de retención hidráulica, fuerte resistencia a cargas de impacto);
Tiempo de retención de lodos (SRT): 10-20 días (adecuado para requisitos de eliminación de nitrógeno);
Carga orgánica (F/M): 0,05-0,15 kg DBO₅/(kgMLSS·d);
Oxígeno disuelto: Distribución gradual dentro de la zanja (2-3mg/L en zona aeróbica, 0,5-1mg/L en zona anóxica).
3. Ventajas y desventajas
Ventajas: Resistencia extremadamente fuerte a cargas de choque, adecuado para aguas residuales con grandes fluctuaciones en la calidad y cantidad del agua; operación y gestión sencillas, bajos costes de mantenimiento; buen efecto de eliminación de nitrógeno (tasa de eliminación de TN 70% -75%);
Desventajas: efecto de eliminación de fósforo débil (requiere eliminación química auxiliar de fósforo); gran huella, alto consumo de energía; flexibilidad operativa insuficiente.
4. Escenarios aplicables
Adecuado para plantas de tratamiento de aguas residuales en ciudades pequeñas y medianas-(volumen de 50 000 a 500 000 m³/d), aguas residuales complejas con grandes fluctuaciones en la calidad del agua (incluida una pequeña cantidad de aguas residuales industriales) o proyectos con capacidades de operación y gestión limitadas.
V. Procesos Intermitentes Flexibles: SBR (Reactor Batch de Secuenciación) y Procesos Modificados
1. Principio del proceso
Utilizando un reactor intermitente, se completan cinco etapas dentro de un mismo tanque: afluente, aireación (aeróbica), sedimentación, descarga de efluentes y período de inactividad. La degradación de la materia orgánica y la eliminación de nitrógeno y fósforo se logran mediante la asignación de tiempo. Las versiones modificadas (procesos CAST, CASS) agregan una zona de selección y una zona de pre-reacción para mejorar el rendimiento de sedimentación de lodos y la eficiencia de eliminación de fósforo.
2. Parámetros clave de diseño:
Un ciclo de funcionamiento: 4-6 horas (incluidas 2-3 horas de aireación y 1-1,5 horas de sedimentación);
Tiempo de Retención de Lodos (SRT): 10-15 días;
Concentración de MLSS: 3000-5000 mg/L;
Relación de drenaje: 1/3-1/2 (cada drenaje no debe exceder la mitad del volumen del tanque).
3. Ventajas y desventajas
Ventajas: Tamaño reducido (no es necesario un tanque de sedimentación secundario independiente); operación flexible, con parámetros de ciclo ajustables según la calidad del agua; Adecuado para volúmenes de agua pequeños y medianos, permitiendo la eliminación simultánea de nitrógeno y fósforo.
Desventajas: Altos requisitos de control automatizado (requiere un control preciso del tiempo de cada etapa); insuficiente estabilidad de la calidad del efluente, fácilmente afectada por los parámetros operativos; desgaste rápido del equipo (arranque-frecuente de válvulas y bombas).
4. Escenarios aplicables
Adecuado para plantas de tratamiento de aguas residuales de ciudades pequeñas y medianas-(volumen de agua inferior o igual a 100 000 m³/d), proyectos de tratamiento de aguas residuales descentralizados (como comunidades y parques industriales) o escenarios con fluctuaciones significativas en la calidad del agua que requieren un ajuste flexible de los modos de funcionamiento.
VI. Nuevo proceso de-ahorro de energía y alta-eficiencia: proceso de multiplicación biológica BioDopp
1. Principio del proceso
Integra todos los pasos del tratamiento biológico (degradación de DQO, eliminación de nitrógeno, eliminación de fósforo, estabilización de lodos) en un único tanque biológico. A través del diseño por zonas y un sistema de aireación de alta-eficiencia, se logra la eliminación simultánea de nitrógeno y fósforo y la reducción de lodos. Lo más destacado es el sistema de aireación BioDopp (aireación de espuma fina de área grande-), que tiene una alta eficiencia de transferencia de oxígeno y es fácil de mantener.
2. Parámetros clave de diseño
Consumo de energía: 0,075 kWh/m³ (significativamente menor que los procesos tradicionales, lo que demuestra importantes-ventajas de ahorro de energía);
Concentración de MLSS: 8 g/L (alta concentración de lodos, mejorando la eficiencia del tratamiento);
Eficiencia de transferencia de oxígeno: 5 kgO₂/kWh, demanda de oxígeno 0,2-0,3 mg/L;
HRT total: 8-12 h, adecuado para las necesidades rutinarias de tratamiento de aguas residuales municipales.
3. Ventajas y desventajas
Ventajas: Excelente efecto de ahorro de energía-(el consumo de energía es solo 1/5-1/8 del de los procesos tradicionales); alta integración, huella pequeña; baja producción de lodos, eliminando la necesidad de una compleja eliminación de lodos; fácil mantenimiento del sistema de aireación (se puede limpiar en línea, sin tiempo de inactividad); Desventajas: Umbral técnico alto, el equipo central depende de las importaciones; adecuado para calidades de agua específicas, la adaptabilidad a aguas residuales recalcitrantes y con alto contenido de sal necesita mayor verificación.
4. Escenarios aplicables
Adecuado para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales de nueva construcción (que buscan conservar la energía y reducir el consumo) y proyectos de tratamiento de aguas residuales de parques industriales. Se ha aplicado con éxito en Alemania, la República Checa y las provincias de Shanghai y Hebei de mi país.
VII. Lógica central de la selección de procesos
La selección de procesos para plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas requiere una consideración integral de cinco factores clave: características de calidad del agua, estándares de descarga, volumen de agua, recursos de tierra y costos operativos. La lógica central es la siguiente:
- Estándares de calidad y descarga del agua: para la eliminación simultánea de nitrógeno y fósforo para cumplir con los estándares de Clase A, se prefieren los procesos A²O y MBR modificados; para mejorar la calidad del agua hasta una calidad cercana a la Clase IV, se prefieren los procesos MBR; para la calidad del agua con grandes fluctuaciones, se prefieren los procesos de zanja de oxidación y SBR modificado.
- Water Volume: Large wastewater treatment plants (>500.000 m³/d) priorizar los procesos de A²O modificado y zanjas de oxidación; las plantas de tratamiento de aguas residuales pequeñas y medianas-(10 000-500 000 m³/d) pueden elegir procesos A²O, SBR modificado o BioDopp; proyectos descentralizados (<10,000 m³/d) prioritize SBR and MBR processes.
- Tierra y costos: en áreas centrales urbanas donde la tierra es escasa, se prefieren los procesos MBR, SBR y BioDopp; para presupuestos limitados, se prefieren los procesos de A²O modificado y de zanja de oxidación; Para ahorrar-energía a largo plazo, se pueden considerar los procesos BioDopp.
- Operación y Gestión: Para plantas con capacidades operativas y de gestión limitadas, se prefieren zanjas de oxidación y procesos A²O modificados (fáciles de operar); para aquellos con niveles más altos de automatización, los procesos MBR y SBR modificados son adecuados.
En resumen, el proceso A²O modificado, con sus ventajas de eliminación estable de nitrógeno y fósforo, costo moderado y amplia adaptabilidad, sigue siendo la opción principal para las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas; el proceso MBR es adecuado para requisitos de actualización y diseño compacto; y procesos más nuevos como BioDopp ofrecen nuevas direcciones para la conservación de energía y la reducción de emisiones, y sus escenarios de aplicación se expandirán gradualmente en el futuro.