Para quienes participan en la operación, el mantenimiento, la gestión técnica, la depuración de procesos y el control de calidad de las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, una base sólida en conceptos básicos es el requisito previo fundamental para una operación, resolución de problemas y cumplimiento precisos. Si bien los procesos de tratamiento de aguas residuales municipales varían, los principios subyacentes siguen siendo los mismos; toda la operación del equipo, el control de parámetros, el ajuste del proceso y la gestión de lodos giran en torno a estas teorías fundamentales.
Este artículo, que combina las especificaciones técnicas para la operación y supervisión de plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas y las normas actuales de descarga de aguas residuales urbanas, describe sistemáticamente los conceptos básicos centrales que las plantas de tratamiento de aguas residuales deben dominar. El contenido es científicamente riguroso, está libre de errores de la industria y equilibra la profundidad teórica con orientación práctica, lo que lo hace adecuado para principiantes, capacitación-de toda la empresa y revisión técnica.
I. Posicionamiento central: aguas residuales municipales y la lógica central del tratamiento de aguas residuales
1. Definición de Aguas Residuales Municipales
Las aguas residuales municipales se refieren específicamente a las aguas residuales mixtas provenientes de aguas residuales residenciales urbanas, drenaje público de instituciones gubernamentales y comerciales, drenaje de carreteras municipales y una pequeña cantidad de aguas residuales industriales pretratadas y de baja-concentración conectadas conforme a las normas. Es el objetivo de tratamiento principal para la gestión del medio ambiente hídrico urbano.
A diferencia de las aguas residuales industriales, las aguas residuales municipales se caracterizan por fluctuaciones estables en cantidad y calidad, predominantemente materia orgánica, exceso de nutrientes de nitrógeno y fósforo y buena biodegradabilidad. Su tratamiento utiliza principalmente procesos biológicos, complementados con métodos de tratamiento físicos y químicos.
2. Principios básicos del tratamiento de aguas residuales
El tratamiento de aguas residuales utiliza esencialmente cuatro métodos técnicos:-separación física, biodegradación, floculación química y estabilización por desinfección-para eliminar o transformar contaminantes suspendidos, contaminantes orgánicos, nutrientes de nitrógeno y fósforo y patógenos en aguas residuales en sustancias inofensivas, asegurando que el efluente cumpla con los estándares de descarga o reutilización, logrando así la reducción de la contaminación del agua y el reciclaje de los recursos hídricos.
II. Indicadores Básicos Esenciales de Calidad del Agua (Pruebas de Laboratorio + Básicos de Operación y Mantenimiento)
Los indicadores de calidad del agua son la única base para juzgar el estado operativo del proceso y si el efluente cumple con los estándares. Todos los ajustes de operación y mantenimiento giran en torno a cambios en estos indicadores. Los siguientes son los seis indicadores de control básicos para las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales:
1. DQO (Demanda Química de Oxígeno)
Esto se refiere a la cantidad de oxígeno necesaria para la oxidación completa de toda la materia orgánica y la reducción de la materia inorgánica en el agua mediante un oxidante fuerte.
Significado central: Indica el nivel total de contaminación de los cuerpos de agua; cuanto mayor sea el valor, más grave será la contaminación orgánica.
Correspondencia del proceso: Se elimina principalmente mediante degradación microbiana en estanques biológicos y sedimentación por coagulación.
Enfoque práctico: El exceso de DQO a menudo es causado por choques de carga del afluente, actividad insuficiente en el sistema biológico y sedimentación anormal de lodos.
2. DBO₅ (Demanda Bioquímica de Oxígeno de 5 días): Se refiere a la cantidad de oxígeno disuelto consumido por la descomposición bioquímica de la materia orgánica en el agua en 5 días.
Significado principal: Indica la biodegradabilidad de las aguas residuales y es clave para determinar la idoneidad de los procesos biológicos.
Estándar práctico: Una relación DBO₅/DQO > 0,3 para aguas residuales municipales indica buena biodegradabilidad e idoneidad para el tratamiento biológico.
3. SS (Sólidos en Suspensión): Se refiere a sólidos suspendidos insolubles en agua, incluidos limo, coloides, desechos de lodos y sólidos orgánicos suspendidos.
Importancia central: Afecta la claridad del efluente, ya que transporta una gran cantidad de contaminantes y microorganismos;
Correspondencia del proceso: rejilla, desarenador, tanque de sedimentación secundario y filtración profunda para eliminación-a-paso;
Enfoque práctico: El exceso de sólidos suspendidos (SS) en el efluente probablemente se debe a la escorrentía de lodos en el tanque de sedimentación secundario, falla del sistema de filtración o floculación deficiente.
4. NH₃-N (nitrógeno amoniacal) Se refiere al nitrógeno en el agua que existe en forma de amoníaco libre y sales de amonio, un contaminante central en la eutrofización.
Principio de eliminación: Reacción de nitrificación aeróbica; las bacterias nitrificantes autótrofas convierten el nitrógeno amoniacal en nitrato;
Enfoque práctico: Las bajas temperaturas, la cantidad insuficiente de oxígeno disuelto, la corta edad de los lodos y la insuficiente alcalinidad pueden provocar un exceso de nitrógeno amoniacal.
5. TN (nitrógeno total) Se refiere a la suma de todas las formas de nitrógeno en el agua (nitrógeno amoniacal, nitrógeno nitrito, nitrógeno nitrato, nitrógeno orgánico) y es el indicador más difícil de cumplir con los estándares para las plantas de tratamiento de aguas residuales.
- Núcleo de eliminación: reacción acoplada de nitrificación + desnitrificación
1. Etapa aeróbica: el nitrógeno amoniacal se convierte en nitrógeno nitrato (nitrificación);
2. Etapa anóxica: el nitrógeno nitrato se convierte en gas nitrógeno y se libera bajo la acción de una fuente de carbono (desnitrificación);
- Enfoque práctico: El exceso de nitrógeno total a menudo se debe a una fuente insuficiente de carbono en la etapa anóxica, alteración del ambiente anóxico o una relación de reflujo irrazonable.
6. TP (fósforo total) Se refiere a la suma de todas las formas de fósforo en el agua y es una causa importante de proliferación de algas y eutrofización.
- Métodos de eliminación: eliminación biológica de fósforo + eliminación química de fósforo
1. Eliminación biológica de fósforo: liberación anaeróbica de fósforo por las bacterias que acumulan polifosfato-y absorción excesiva de fósforo por las bacterias aeróbicas, que se descarga a través del exceso de lodo;
2. Eliminación química de fósforo: Adición de PAC, sales de hierro y otros agentes para la eliminación de fósforo por floculación y sedimentación;
- Enfoque práctico: El exceso de fósforo total en el efluente a menudo se debe a una falla del ambiente anaeróbico, una edad excesivamente larga del lodo o una dosis insuficiente del agente.
III. Sistema de tratamiento de aguas residuales de cuatro-niveles (marco central de todo el proceso)
El sistema completo de tratamiento de aguas residuales municipales consta de cuatro niveles: pretratamiento, tratamiento primario, tratamiento biológico secundario y tratamiento terciario avanzado. En cada nivel se eliminan diferentes tipos de contaminantes y el orden lógico de estos niveles no se puede invertir.
1. Pretratamiento (Primera Barrera para Influentes)
Estructuras principales: pozo afluente, cribas gruesas y finas, cámara de arena de vórtice, tanque de ecualización
Función principal: Elimina grandes escombros flotantes, ramas, bolsas de plástico, arena y otras impurezas inorgánicas; equilibra el volumen y la calidad del agua; elimina los impactos máximos de los afluentes; protege bombas, tuberías y equipos de sistemas biológicos aguas abajo.
Operaciones clave: limpieza oportuna de la criba, eliminación periódica de arena de la cámara de arena y control de nivel estable en el tanque de ecualización.
2. Tratamiento Primario (Tratamiento Físico)
Estructura central: Tanque de sedimentación primaria
Función principal: Elimina grandes sólidos suspendidos, coloides y algunos contaminantes orgánicos del agua mediante sedimentación por gravedad.
Efecto del tratamiento: Elimina aproximadamente el 30% de la DQO y más del 50% de los SS, reduciendo significativamente la carga en el sistema biológico posterior.
3. Tratamiento secundario (tratamiento biológico principal) Este es el núcleo del tratamiento de aguas residuales municipales, que utiliza principalmente procesos biológicos para eliminar la mayor parte de la materia orgánica, el nitrógeno amoniacal, el nitrógeno total y el fósforo total.
Principio básico: utilizar la comunidad microbiana en los lodos activados para adsorber, descomponer y transformar contaminantes en las aguas residuales;
Principales Procesos: A²/O, zanja de oxidación, SBR, MBR, A²/O modificado;
Efecto del tratamiento: Elimina más del 90% de la materia orgánica y el nitrógeno amoniacal, logrando esencialmente la reducción de los principales contaminantes.
4. Tratamiento Terciario Avanzado (Garantía de Actualización y Cumplimiento)
Estructuras principales: tanque de sedimentación de alta-eficiencia, filtro, filtro de carbón activado, tanque de desinfección
Función principal: Elimina trazas residuales de sólidos suspendidos, coloides, fósforo residual y pequeñas cantidades de materia orgánica del efluente secundario;
Desinfección final: La desinfección con hipoclorito de sodio, luz ultravioleta y ozono mata la E. coli y los patógenos, garantizando una descarga segura del efluente.
IV. Cuatro reacciones centrales del sistema bioquímico (fundamentales para la depuración de procesos)
Todos los ajustes de parámetros en los procesos biológicos se basan en cuatro reacciones fundamentales: anaeróbica, anóxica, aeróbica y nitrificación/desnitrificación. Estos son conceptos básicos que los técnicos deben comprender a fondo.
1. Reacción anaeróbica (sin oxígeno disuelto, sin nitrógeno nitrato)
Condiciones ambientales: DO=0, ambiente estrictamente anaeróbico;
Función principal: liberación de fósforo por polifosfato-bacterias que acumulan, hidrólisis y acidificación, descomposición de moléculas orgánicas grandes, reserva de energía para la posterior absorción aeróbica de fósforo;
Valor clave: Garantiza la eliminación biológica eficaz del fósforo y mejora la biodegradabilidad de las aguas residuales.
2. Reacción anóxica (no hay oxígeno disuelto, nitrógeno nitrato presente)
Condiciones ambientales: DO Menor o igual a 0,5 mg/L, nitrógeno nitrato presente;
Función principal: desnitrificación, bajo la acción de una fuente de carbono externa o interna, el nitrógeno nitrato se convierte en gas nitrógeno, eliminando el nitrógeno total;
Puntos prácticos clave: Está estrictamente prohibida la aireación excesiva; asegurar una fuente suficiente de carbono; controlar la proporción de reflujo del licor mezclado.
3. Reacción aeróbica (suficiente oxígeno disuelto)
Condiciones ambientales: DO=2~4 mg/L;
Funciones principales: tres reacciones principales se desarrollan simultáneamente: degradación de la materia orgánica, nitrificación para la eliminación del nitrógeno amoniacal y absorción de fósforo por las bacterias acumuladoras de polifosfato-;
Puntos clave de operación y mantenimiento: El exceso de oxígeno disuelto provoca desperdicio de energía y envejecimiento de los lodos; La cantidad insuficiente de oxígeno disuelto produce una degradación incompleta y un exceso de nitrógeno amoniacal.
4. Nitrificación y desnitrificación (lógica central de la eliminación de nitrógeno)
1. Nitrificación: en condiciones aeróbicas, las bacterias nitrificantes y las bacterias nitrificantes convierten sucesivamente el nitrógeno amoniacal en nitrito y nitrato. Se requieren suficiente oxígeno, alcalinidad y una larga edad del lodo.
2. Desnitrificación: en condiciones anóxicas, las bacterias desnitrificantes utilizan fuentes de carbono para reducir el nitrógeno nitrato a gas nitrógeno. Se requieren condiciones anóxicas estrictas y una fuente de carbono eficaz.
V. Características principales de los procesos principales (generalmente aplicables a las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales)
No existe superioridad o inferioridad inherente entre los principales procesos de tratamiento de aguas residuales municipales; las únicas diferencias residen en su idoneidad para diferentes escenarios. La lógica de operación y mantenimiento sigue siendo consistente:
Proceso A²/O: Reacción en serie anaeróbica-anóxica-aeróbica, que proporciona una eliminación equilibrada de nitrógeno y fósforo, un funcionamiento estable y es el proceso más común para las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales.
Proceso de zanja de oxidación: fuerte resistencia a cargas de choque, buen rendimiento de sedimentación de lodos y operación y mantenimiento sencillos, adecuado para plantas de tratamiento de aguas residuales de tamaño pequeño y mediano-.
Proceso SBR: reactor discontinuo de secuenciación, todas las reacciones bioquímicas se completan en un solo tanque, lo que elimina la necesidad de un tanque de sedimentación secundario, requiere menos terreno y es adecuado para escenarios con grandes fluctuaciones en el volumen de agua.
Proceso MBR: la separación por membrana reemplaza el tanque de sedimentación secundario, lo que produce un efluente de muy alta-calidad que se puede utilizar directamente como agua recuperada, adecuado para proyectos de descarga y reutilización de alto-estándar.
VI. Conceptos básicos de tratamiento y eliminación de lodos (puntos clave para una operación y mantenimiento conformes)
El tratamiento de aguas residuales sin tratamiento de lodos es ineficaz. Los lodos son un subproducto del tratamiento de aguas residuales y su eliminación adecuada es crucial para el funcionamiento conforme de las plantas de tratamiento de aguas residuales.
1. Definición de lodo: El lodo es una mezcla de materia suspendida sólida y semi-sólida producida durante el tratamiento de aguas residuales mediante interceptación, sedimentación y reacciones bioquímicas. Es rico en materia orgánica, microorganismos, nitrógeno y fósforo, y pequeñas cantidades de contaminantes.
2. Indicador clave básico: contenido de humedad del lodo
Esto se refiere al porcentaje de masa de agua en la masa total de lodos y es un indicador de control básico para la eliminación de lodos.
Contenido de humedad del lodo concentrado: 97%~99%;
Contenido de humedad del lodo después de la deshidratación mecánica: Aproximadamente 80% (requisito de eliminación estándar nacional básico).
3. Proceso completo de eliminación de lodos: espesamiento de lodos → deshidratación mecánica → eliminación de estabilización (compostaje, incineración, utilización de materiales de construcción, vertedero conforme). Están estrictamente prohibidos los vertimientos indiscriminados y los vertimientos directos.
4. Función principal del exceso de lodo: el sistema biológico descarga periódicamente el exceso de lodo, eliminando el exceso de fósforo y los microorganismos envejecidos del sistema. Esto mantiene el equilibrio de la edad de los lodos y la actividad microbiana estable, y es una operación central para evitar la acumulación y el envejecimiento de los lodos y que los efluentes superen los estándares.
VII. Principios básicos de operación y mantenimiento de plantas de tratamiento de aguas residuales (Resumen práctico orientador)
Primer principio de la calidad del agua: todo el arranque-de los equipos, el ajuste de parámetros y la dosificación de productos químicos se basan en el logro de estándares de efluentes y estabilidad del proceso.
Control de zonificación ambiental: distinguir estrictamente entre ambientes anaeróbicos, anóxicos y aeróbicos, y prevenir la sedimentación de capas mixtas-y las alteraciones del oxígeno disuelto, es fundamental para la eliminación de nitrógeno y fósforo.
Equilibrio dinámico de carga: cuando el flujo afluente y la calidad del agua fluctúan, se realizan ajustes oportunos a la tasa de aireación, la relación de retorno, la dosificación de la fuente de carbono y la descarga de lodos para resistir las cargas de choque.
Lodo-Agua-Aire-Sinergia química: los cuatro elementos clave: la condición del lodo, el oxígeno disuelto, el tiempo de retención hidráulica y la dosificación de productos químicos se controlan de forma sinérgica; no se puede omitir ninguno.
Gestión de circuito cerrado-que cumple con las normas: control integral y conforme de las aguas residuales, los lodos, los olores y el ruido, de conformidad con los estándares de operación de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas.
Conclusión
El tratamiento de aguas residuales municipales puede parecer un trabajo repetitivo que involucra la operación de equipos y el control de parámetros, pero su competitividad central siempre reside en una base teórica sólida. Todas las fallas de los procesos, los efluentes que exceden los estándares y el caos operativo son causados esencialmente por una falta de comprensión de los conceptos básicos y principios fundamentales. Una comprensión profunda de estos conceptos básicos es esencial para todos los trabajadores de plantas de tratamiento de aguas residuales. Les permite comprender rápidamente la lógica del proceso, solucionar con precisión problemas operativos y de mantenimiento y avanzar de una "operación calificada" a una "gestión técnica profesional".