El proceso de lodos activados es la tecnología de tratamiento biológico de aguas residuales más utilizada. En un sistema de lodos activados, los microorganismos que purifican las aguas residuales están en un estado de crecimiento suspendido-se agrupan en pequeños grupos, formando flóculos, y se suspenden en el licor mezclado bajo aireación, batiéndose con el flujo de agua. Los microorganismos y las aguas residuales entran en pleno contacto, eliminando los contaminantes del agua.
Este sistema funciona muy bien, pero tiene un inconveniente: es delicado. Si el volumen de aguas residuales afluentes aumenta repentinamente, su concentración aumenta repentinamente, o la temperatura del agua cae repentinamente, o el pH fluctúa drásticamente, los microorganismos pueden "actuar mal"-el efecto del tratamiento disminuirá o incluso se producirá una acumulación de lodos, lo que afectará el funcionamiento normal del sistema.
Por lo tanto, los ingenieros se preguntaron si podrían cambiar su enfoque, permitiendo que los microorganismos "se establezcan" en un lugar fijo, en lugar de flotar constantemente en el agua.
Este es el proceso de biopelícula. En pocas palabras, el proceso de biopelícula utiliza microorganismos que crecen en medios filtrantes o un portador para tratar las aguas residuales.
La idea central de la tecnología de biopelículas es simple: proporcionar a los microorganismos "casas" fijas donde puedan asentarse, reproducirse y formar una "comunidad microbiana". Las aguas residuales fluyen a través de esta comunidad y los "residentes" consumen los contaminantes del interior.
Estas "casas" se denominan profesionalmente materiales de embalaje o transportadores. Los diferentes procesos de biopelículas utilizan soportes completamente diferentes. Los tipos más comunes son:
El primer tipo: material de embalaje en oxidación por contacto biológico: "bolas de filamentos de plástico" colgadas en el tanque
El tanque de oxidación por contacto está lleno de tiras de materiales de embalaje, que se asemejan a grandes cepillos de plástico. Las aguas residuales se airean desde el fondo del tanque y se lavan hacia arriba, lo que hace que estos materiales de embalaje se balanceen suavemente en el agua, cubiertos con una biopelícula marrón amarillenta-. Este tipo de material de embalaje tiene una gran superficie específica; 1 metro cúbico puede proporcionar entre 800 y 900 metros cuadrados de "espacio habitable".
El segundo tipo: discos en discos biológicos giratorios – "discos giratorios"
Los discos giratorios biológicos no utilizan materiales de embalaje; sus "casas" son los propios discos: docenas de discos grandes, de 2 a 3 metros de diámetro, unidos sobre un eje giratorio y girados lentamente mediante un motor con reducción de velocidad. El primer tipo consiste en un disco de filtro biológico, mitad sumergido en aguas residuales y mitad expuesto al aire. Los microorganismos crecen en ambos lados del disco, adsorbiendo contaminantes cuando están sumergidos y absorbiendo oxígeno del aire cuando se exponen a la superficie. Este diseño tiene un consumo de energía relativamente bajo, no requiere aireación adicional y su funcionamiento es económico.
El tercer tipo: el material de embalaje para un filtro biológicamente aireado (BAF): "un lecho filtrante hecho de pequeños guijarros de cerámica".
BAF utiliza pequeños guijarros de cerámica con un diámetro de 3 a 6 milímetros, apilados como pequeños guijarros en el tanque. Las aguas residuales fluyen de abajo hacia arriba, mientras que la aireación se produce simultáneamente desde abajo. Este diseño de partículas pequeñas tiene dos ventajas: en primer lugar, una gran superficie específica, lo que da como resultado una alta biomasa por unidad de volumen; en segundo lugar, los espacios entre las partículas atrapan los sólidos suspendidos, lo que hace que el efluente de BAF sea excepcionalmente claro.
El cuarto tipo: el material de embalaje para un biofiltro biológico (MBBR): "pequeñas láminas de plástico que caen en el agua".
MBBR utiliza pequeñas láminas de plástico suspendidas, con forma de pequeñas ruedas o cilindros, con una densidad ligeramente más ligera que la del agua. Bajo aireación, estos materiales de embalaje giran y fluyen continuamente en el tanque, permitiendo que la biopelícula entre en contacto con las aguas residuales a medida que se mueven. El material de embalaje está en constante movimiento; La biopelícula envejecida se elimina y la nueva biopelícula crece continuamente, lo que elimina la necesidad de un retrolavado manual. Tiene fuertes capacidades de autolimpieza-y no obstruye el tanque.
El quinto tipo: el portador de lecho fluidizado biológico: "pequeñas partículas que caen como papilla"
Los lechos fluidizados biológicos utilizan portadores aún más pequeños, normalmente de 0,3 a 1 mm de arena, carbón activado o partículas de coque. Impulsadas por un flujo de agua o aire a alta velocidad-, estas pequeñas partículas giran y se fluidizan continuamente como papilla. Debido a que el transportador es extremadamente pequeño, cada metro cúbico de transportador puede proporcionar de 2000 a 3000 metros cuadrados de espacio habitable, lo que resulta en la mayor concentración microbiana y tasa de carga volumétrica entre todos los procesos de biopelículas. Cuenta con una eficiencia de tratamiento extremadamente alta y un tamaño muy reducido, pero su diseño y funcionamiento también son relativamente complejos.
Cada uno de estos diferentes tipos de "casas" tiene sus propios escenarios aplicables. La oxidación por contacto es adecuada para el tratamiento de aguas residuales de tamaño pequeño a mediano-, MBBR es adecuado para modernización y expansión, BAF es adecuado para tratamientos avanzados, los discos giratorios biológicos son adecuados para escenarios de pequeño-volumen y ahorro de energía-y los lechos fluidizados biológicos son adecuados para aguas residuales industriales de alta-concentración o escenarios con espacio limitado.
1. ¿Cómo "crece" una biopelícula?
Cuando el material de embalaje se coloca en aguas residuales y estas continúan fluyendo a través de él, comienza este proceso.
Paso 1: Los microorganismos pasan y se instalan
Las aguas residuales contienen una gran cantidad de microorganismos. A medida que fluyen por la superficie del material de embalaje, algunos se atascan. Esta unión inicial se basa en interacciones electrostáticas y fuerzas de van der Waals.
Paso 2: Del acuerdo temporal al acuerdo-a largo plazo
Los microorganismos atrapados comienzan a secretar una sustancia pegajosa llamada sustancias poliméricas extracelulares (API). Esta sustancia actúa como pegamento, fijando firmemente los microorganismos a la superficie del material de embalaje, formando el "marco arquitectónico" de la biopelícula.
Paso 3: Instalarse y propagarse proliferar
Después de asentarse, los microorganismos comienzan a crecer y reproducirse. Uno se convierte en dos, dos se convierten en cuatro... Pronto, una fina capa de película microbiana cubre la superficie del material de embalaje. Esta es la biopelícula.
Paso 4: Formación de una comunidad madura
Con el tiempo, la biopelícula se vuelve más espesa y los "residentes" que contiene se vuelven más diversos. No sólo aparecerán bacterias, sino también hongos, protozoos y metazoos. Entre ellos se forma una cadena alimentaria: las bacterias comen contaminantes, los protozoos comen bacterias y los metazoos comen protozoos. Se establece así un pequeño ecosistema completo.
Este proceso se denomina profesionalmente formación de biopelículas. Para aguas residuales urbanas típicas, bajo temperaturas adecuadas, la formación de biopelículas puede completarse en aproximadamente 7 a 20 días.
2. Estructura de la biopelícula
Aunque una biopelícula es sólo una membrana delgada, su estructura interna está bastante estratificada. Dependiendo de la calidad de las aguas residuales y de las condiciones del suministro de oxígeno, es posible que no siempre formen tres capas completas; en algunos escenarios, sólo se puede formar una capa aeróbica y otra anaeróbica.
La capa más cercana al material de embalaje es la capa anaeróbica. Esta capa está más alejada de las aguas residuales, lo que dificulta la difusión del oxígeno. Está habitado principalmente por bacterias anaeróbicas. No necesitan oxígeno, obteniendo energía mediante la descomposición de materia orgánica compleja, pero su eficiencia de descomposición es relativamente baja.
La capa más cercana a las aguas residuales es la capa aeróbica. Esta capa tiene oxígeno relativamente abundante y está habitada por bacterias aeróbicas, que son la "fuerza principal" del proceso; Aquí se produce principalmente la degradación de la materia orgánica.
Si las aguas residuales requieren desnitrificación, se formará una capa anóxica en el medio, donde las bacterias facultativas pueden realizar la desnitrificación, convirtiendo los nitratos en gas nitrógeno. Es precisamente debido a esta estructura en capas que la biopelícula puede completar simultáneamente reacciones aeróbicas y anaeróbicas dentro de la misma capa-algo difícil de lograr en procesos de lodos activados de crecimiento suspendido.
3. Renovación de biopelículas
Las biopelículas no crecen indefinidamente. Cuando alcancen un determinado espesor, se desprenderán y se renovarán. La razón principal es que la capa anaeróbica del interior se vuelve cada vez más gruesa. Cuando la capa anaeróbica alcanza un cierto espesor, los microorganismos cercanos a la superficie del portador, que carecen de materia orgánica para nutrirse, entran en una fase de respiración endógena, debilitando su capacidad para adherirse al portador. Bajo la fuerza cortante del flujo de agua externo, la biopelícula envejecida se desprenderá en parches. La biopelícula desprendida fluye con el flujo de agua y nuevos microorganismos se adhieren inmediatamente a los sitios desprendidos. De esta manera, la biopelícula vieja se desprende y crece una nueva, manteniendo un alto nivel de actividad de la biopelícula.
Este mecanismo da como resultado una tasa de producción de lodos significativamente menor en comparación con el proceso de lodos activados. Si bien la eliminación periódica de lodos sigue siendo necesaria, elimina la necesidad del control frecuente y preciso que requiere el proceso de lodos activados, simplificando considerablemente la operación y la gestión.
4. Comparación de procesos de lodos activados y biopelículas
En el lodo activado, los microorganismos están suspendidos en el licor mezclado, mientras que en la biopelícula, los microorganismos están inmovilizados en el material de empaque. En cuanto a la resistencia a las cargas de choque, los procesos de lodos activados son generalmente menos efectivos, y las fluctuaciones en la calidad y cantidad del agua conducen fácilmente a una disminución en la eficiencia del tratamiento; Los procesos de biopelículas son mucho más fuertes y robustos.
En términos de adaptabilidad a aguas residuales de baja-concentración, los microorganismos del lodo activado son propensos a una alimentación insuficiente, lo que resulta en una disminución de la actividad; Los procesos de biopelículas mantienen una alta actividad incluso con concentraciones de afluente muy bajas.
En cuanto al abultamiento de lodos, los procesos de lodos activados son propensos al abultamiento de lodos; Los procesos de biopelícula no lo hacen, ya que los microorganismos quedan inmovilizados.
En términos de biomasa por unidad de volumen, los procesos de lodos activados suelen producir de 2 a 4 gramos por litro, mientras que los procesos de biopelículas pueden alcanzar de 10 a 20 gramos por litro, de 3 a 5 veces más.
En la nitrificación y desnitrificación simultánea, el proceso de lodos activados requiere recirculación entre diferentes tanques; el proceso de biopelícula, debido a su estructura estratificada, puede lograr esto dentro del mismo tanque.
¿Cómo elegir? En pocas palabras: para grandes volúmenes de aguas residuales municipales estables, el proceso de lodos activados es una tecnología madura; Para aguas residuales con grandes fluctuaciones en volumen y calidad, baja concentración o que requieren desnitrificación simultánea, el proceso de biopelícula es más ventajoso.
5. Principales procesos de los procesos de biopelículas.
Los principales procesos incluyen: oxidación biológica por contacto, MBBR, filtro biológico aireado (BAF), disco giratorio biológico, lecho fluidizado biológico y filtros biológicos tradicionales (ordinarios, de alta-carga, tipo torre). Aunque estos procesos difieren en la forma, su principio central es el mismo-permitir que los microorganismos se adhieran a un soporte para formar una biopelícula, utilizando esta membrana para purificar las aguas residuales.
Las diferencias principales son dos: en primer lugar, el tipo de discos fijos "de casa"-, el material de embalaje que llena el tanque, las pequeñas partículas de cerámica apiladas en una capa de filtro, las pequeñas láminas de plástico que giran o las micropartículas fluidizadas; en segundo lugar, cómo se suministra el oxígeno:-ventilación natural, rotación del disco o aireación artificial.
El proceso de biopelícula implica la construcción de hábitats para los microorganismos, permitiéndoles asentarse y ayudar a tratar las aguas residuales.
Una vez que los microorganismos se trasladan a sus "hogares", secretan una sustancia pegajosa para anclarse, crecer y reproducirse, formando una biopelícula estructurada-una capa aeróbica externa responsable de degradar la materia orgánica y una capa anaeróbica interna responsable de una mayor descomposición (se puede formar una capa anóxica en el medio, dependiendo de la calidad del agua). Las aguas residuales fluyen y los contaminantes son absorbidos gradualmente por cada capa. A medida que la biopelícula crece hasta alcanzar un cierto espesor, las capas viejas se desprenden y continúan creciendo otras nuevas. No hay necesidad de preocuparse por la acumulación de lodos ni por los frecuentes ajustes de descarga de lodos, lo que facilita mucho la operación y la gestión.
