Comprensión del lodo activado (II): ¡cómo mantener la reproducción de los microorganismos!

Prefacio: El documento anterior discutió el origen y la estructura de la comunidad microbiana del lodo activado. Este documento se centra en "cómo mantener la reproducción de los microorganismos". Todos sabemos que cuando el ambiente es apto para la reproducción, los organismos (plantas, animales y microorganismos) entran naturalmente en estado reproductivo; cuando el medio ambiente se deteriora, los organismos dejan de reproducirse. Si utilizamos el "deseo reproductivo" humano como analogía, los jóvenes de hoy enfrentan tres desafíos principales: educación, atención médica y vivienda. Estos tres aspectos impactan significativamente su disposición a tener hijos. Por supuesto, los microorganismos no tienen tantos requisitos, ni necesitan coches ni casas. Siempre que el entorno acuático cumpla con los requisitos de temperatura, oxígeno disuelto, pH y nutrientes, ¡pueden crecer rápidamente!

Los microorganismos tienen su propia curva de crecimiento y su proceso de crecimiento cambia con la disponibilidad de nutrientes. En un entorno definido, no afectado por factores externos, la curva de crecimiento de los microorganismos se ajusta al diagrama siguiente. El proceso de crecimiento incluye cuatro etapas: adaptación (etapa de ajuste), etapa de crecimiento logarítmico, etapa de crecimiento de desaceleración y respiración endógena. Cuando los microorganismos ingresan a un nuevo ambiente, hay un período de adaptación durante el cual su número permanece relativamente estable.

Curva de crecimiento de lodos (es decir, curva de crecimiento microbiano)

La concentración de microorganismos tiene un valor inicial, el cual representa la cantidad de lodos agregados durante el arranque inicial del tanque de tratamiento biológico. Con el tiempo, la concentración de lodos aumenta gradualmente. Generalmente, la concentración de lodos en un tanque de tratamiento biológico aeróbico se puede mantener entre 3000-5000 mg/L. La concentración de lodos depende de la concentración de DBO del afluente; cuanto mayor sea la concentración de DBO, mayor será la concentración de lodos que se puede mantener.

En el funcionamiento real del tanque de tratamiento biológico, la concentración de lodos se mantiene entre la fase de crecimiento de desaceleración y la fase de respiración endógena. Se puede observar que la concentración de lodos varía según el modo de funcionamiento del tanque de tratamiento biológico.

En la aireación ordinaria, también conocida como aireación de flujo pistón, los contaminantes disminuyen gradualmente durante el proceso de propulsión y el crecimiento de lodos se controla durante la fase de crecimiento de desaceleración. Algunos se preguntarán ¿cómo se controla esto? ¡Esto se consigue mediante la recirculación y eliminación de lodos!

Mezcla completa significa que todas las partes del tanque de tratamiento biológico operan bajo las mismas condiciones (por ejemplo, concentración de contaminantes, pH, oxígeno disuelto, etc.). Los procesos de tratamiento biológico operados de forma intermitente (como el proceso SBR mencionado anteriormente) generalmente pueden lograr esto bien, y el estado del lodo se controla durante la fase de crecimiento de desaceleración.

La aireación extendida (SRT) utiliza una tasa de carga volumétrica muy baja en el diseño, lo que resulta en una concentración de lodo relativamente baja en el tanque de tratamiento biológico. Este proceso opera en la fase de respiración endógena de la curva de crecimiento, lo que requiere una tasa de carga orgánica baja y un tiempo de aireación prolongado, típicamente de 20 a 30 días para SRT y 24 horas para HRT. Este proceso generalmente no utiliza un tanque de sedimentación primario.

Curva de concentración de oxígeno disuelto

Sin suplementos externos de oxígeno disuelto, el oxígeno disuelto en el agua disminuye gradualmente como se muestra en la figura. Por supuesto, se debe complementar el oxígeno disuelto en el tanque de tratamiento biológico para mantener un valor relativamente constante.

Curva de concentración de contaminantes

La DBO puede, hasta cierto punto, expresar la concentración de contaminantes en el agua (como se mencionó anteriormente, los valores de DQO se utilizan mejor en el diseño del volumen del tanque). Con el tiempo, la concentración de contaminantes disminuye hasta un nivel descargable.

Bajo una temperatura adecuada, suficiente oxígeno disuelto y nutrientes y ausencia de sustancias inhibidoras, el factor determinante que controla el crecimiento del lodo activado es la relación F/M entre la cantidad de alimento (materia orgánica en las aguas residuales, también conocida como sustrato) y la cantidad de microorganismos (lodo activado), que también está influenciada por factores como la tasa de degradación del sustrato orgánico, la tasa de utilización de oxígeno y las propiedades de floculación y adsorción del lodo activado.

Etapa de Adaptación (Adjustment Stage): También llamada etapa de ajuste, esta es la etapa inicial del cultivo de lodos activados. Los microorganismos no proliferan, pero comienzan a producirse cambios cualitativos. Esta etapa corresponde a la porción horizontal inicial de la curva de crecimiento en el diagrama y generalmente tiene una duración corta. En las últimas etapas de la etapa de adaptación, el sistema enzimático microbiano se ha adaptado gradualmente al nuevo entorno, el desarrollo individual ha alcanzado un cierto nivel, las células comienzan a dividirse y los microorganismos comienzan a reproducirse.

Etapa de crecimiento logarítmico: la tasa de crecimiento del lodo activado aumenta, la relación F/M es relativamente grande, el sustrato orgánico es abundante y la actividad del lodo activado es alta. Los microorganismos absorben simultáneamente sustrato orgánico al ritmo más alto y sintetizan células al ritmo más alto, logrando la proliferación. En esta etapa, el lodo activado tiene una alta capacidad para eliminar materia orgánica y el crecimiento del lodo no está limitado por las condiciones de nutrientes sino sólo por la concentración microbiana. Sin embargo, el lodo tiene malas propiedades de floculación, es difícil de sedimentar y tiene una eficiencia de tratamiento deficiente.

Etapa de crecimiento desacelerado: la tasa de crecimiento del lodo activado disminuye, la relación F/M continúa disminuyendo y la tasa de crecimiento está limitada por los nutrientes orgánicos. Esta es la etapa operativa típica del proceso de lodos activados. En esta etapa, la materia orgánica de las aguas residuales se puede eliminar en gran medida y el lodo tiene buenas propiedades de floculación y sedimentación.

Etapa de metabolismo endógeno: los nutrientes se agotan en gran medida. Al no poder obtener suficientes nutrientes, el lodo activado comienza a utilizar su almacenamiento interno, es decir, se encuentra en la etapa de auto-oxidación. En esta etapa, el lodo tiene un alto grado de inorganización y buenas propiedades de sedimentación, pero floculación deficiente y el lodo disminuye gradualmente. Sin embargo, dado que los residuos de la respiración endógena son en su mayoría difíciles-de-degradar las paredes celulares y el citoplasma, el lodo activado no puede desaparecer por completo.

Muchos factores pueden afectar el crecimiento microbiano, incluidos los nutrientes, la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto y las sustancias tóxicas. Por supuesto, diferentes tipos de microorganismos tienen diferentes rangos de tolerancia a estos factores. Los tipos comunes de microorganismos en los lodos activados incluyen bacterias aeróbicas (una categoría amplia que abarca muchas subcategorías, como bacterias nitrificantes), bacterias hidrolíticas, bacterias fermentadoras, bacterias de hidrógeno, bacterias del ácido acético, metanógenos, bacterias reductoras de sulfato- y protozoos anaeróbicos. Por lo tanto, siempre que estos factores se mantengan dentro de rangos normales, se puede lograr un rápido crecimiento microbiano.

Nutrientes
Durante las actividades vitales de los microorganismos, necesitan absorber continuamente nutrientes esenciales del cuerpo de agua circundante, que incluyen: fuentes de carbono, fuentes de nitrógeno, sales inorgánicas y ciertos factores de crecimiento. Las aguas residuales a tratar deben contener cantidades suficientes de estas sustancias.

El carbono es un componente estructural importante de las células microbianas. Los microorganismos involucrados en el tratamiento de lodos activados tienen un requerimiento de fuente de carbono relativamente alto, generalmente no menos de 100 mg/L (calculado como DBO5).

El nitrógeno es un elemento importante en la composición de proteínas y ácidos nucleicos dentro de las células microbianas. Las fuentes de nitrógeno pueden provenir de compuestos de nitrógeno inorgánico como N2, NH3 y NO3, así como de compuestos que contienen nitrógeno orgánico-como proteínas y aminoácidos.

El fósforo es un elemento esencial para la síntesis de nucleoproteínas, lecitina y otros compuestos de fósforo, desempeñando un papel crucial en el metabolismo microbiano y la transformación de materiales. La coenzima I, la coenzima II y el monofosfato de adenosina (ATP) contienen fósforo. Los microorganismos obtienen fósforo principalmente de compuestos inorgánicos de fósforo. Las fuentes insuficientes de fósforo afectarán la actividad enzimática, lo que afectará las funciones fisiológicas de los microorganismos.

Generalmente, la proporción de los tres nutrientes principales (carbono, nitrógeno y fósforo) es DBO:N:P=100:5:1. Además, oligoelementos como el azufre, el sodio, el potasio, el calcio, el magnesio y el hierro también desempeñan un papel importante en el proceso de crecimiento de los microorganismos.

Oxígeno disuelto

Las especies microbianas involucradas en el tratamiento de aguas residuales se dividen en especies aeróbicas y anaeróbicas, y los tanques operativos incluyen tanques aeróbicos, tanques anóxicos, tanques de hidrólisis y tanques anaeróbicos. Según la experiencia operativa, la concentración de oxígeno disuelto en el tanque aeróbico debe mantenerse entre 2 y 4 mg/L. En los tanques de hidrólisis y anóxicos, que son ambientes anaeróbicos facultativos, se permite una cierta concentración de oxígeno disuelto, generalmente entre 0,2-0,5 mg/L. El tanque anaeróbico es un ambiente estrictamente anaeróbico; Para asegurar los procesos de hidrólisis y fermentación, no se permite la presencia de oxígeno disuelto.

El oxígeno disuelto es crucial para el funcionamiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Si el oxígeno disuelto en el tanque aeróbico es demasiado bajo, se inhibirá el crecimiento de bacterias nitrificantes y otras bacterias aeróbicas, mientras que las bacterias filamentosas proliferarán rápidamente, lo que provocará la acumulación de lodos.

Valor de pH: Las actividades fisiológicas de los microorganismos están estrechamente relacionadas con el pH del medio ambiente. Los microorganismos sólo pueden llevar a cabo actividades fisiológicas normales en condiciones de pH adecuadas. El rango de pH óptimo para los microorganismos involucrados en el tratamiento biológico de aguas residuales es generalmente entre 6,5 y 8,5. Los diferentes grupos bacterianos tienen diferentes rangos de tolerancia; Las bacterias acidificantes hidrolíticas tienen un rango de pH entre 5,5 y 7,5, mientras que las bacterias aeróbicas tienen un rango de pH entre 6,5 y 8,5.

Temperatura
La temperatura es crucial para el crecimiento microbiano. La mayoría de los microorganismos involucrados en el tratamiento de lodos activados son termófilos, con un rango de temperatura óptimo de 10 a 45 grados. Para garantizar un funcionamiento adecuado, la temperatura del agua en el tanque de tratamiento biológico generalmente se mantiene entre 15 y 35 grados; El crecimiento microbiano se ralentiza por debajo de los 5 grados. Además, las bacterias anaeróbicas tienen una tolerancia a la temperatura mucho mayor que las bacterias aeróbicas, por lo que la mayoría de los tanques anaeróbicos están equipados con dispositivos de aislamiento y calefacción.

Sustancias tóxicas
Las "sustancias tóxicas" se refieren a ciertas sustancias orgánicas e inorgánicas que inhiben las actividades fisiológicas de los microorganismos. Estos incluyen principalmente iones de metales pesados ​​(como zinc, cobre, níquel, plomo, cromo, etc.) y algunos compuestos no-metálicos (como fenoles, aldehídos, cianuros, sulfuros, etc.). Los efectos tóxicos de las sustancias tóxicas sobre los microorganismos son cuantitativos; La toxicidad y la inhibición sólo se vuelven evidentes cuando la sustancia tóxica alcanza una determinada concentración en el medio ambiente. Mientras la concentración de diversas sustancias tóxicas en las aguas residuales esté por debajo de este nivel, las funciones fisiológicas de los microorganismos no se ven afectadas.

La eliminación microbiana y la degradación de contaminantes se basa principalmente en dos procesos: adsorción y metabolismo (asimilación y disimilación).

Proceso de adsorción: Un corto período después de que las aguas residuales entran en contacto y se mezclan con el lodo activado, los contaminantes orgánicos en el agua exhiben una alta tasa de eliminación. Este fenómeno inicial de eliminación-de alta velocidad es el resultado de una combinación de adsorción física y biológica. Durante este proceso, el sustrato orgánico en el licor mezclado disminuye rápidamente. Esto se debe a que el lodo activado tiene una gran superficie y está enriquecido con una gran cantidad de microorganismos en su superficie, cubierta por una capa viscosa rica en polisacáridos-. Cuando los sustratos orgánicos suspendidos y coloidales en las aguas residuales entran en contacto con los flóculos de lodo activado, se coagulan y adsorben rápidamente, un fenómeno conocido como "adsorción inicial".

El proceso de adsorción inicial avanza muy rápidamente y generalmente se completa en 30 minutos. La tasa de eliminación por adsorción de la DBO de las aguas residuales puede alcanzar el 70%, y para las aguas residuales que contienen una gran cantidad de materia orgánica suspendida y coloidal, la DBO puede disminuir entre un 80% y un 90%. La tasa de adsorción inicial depende principalmente de la actividad de los microorganismos y del grado de difusión hidráulica y dinámica hidráulica dentro del reactor. El primero determina la eficiencia de adsorción y floculación de los microorganismos del lodo activado, mientras que el segundo determina el grado de contacto entre los flóculos de lodo activado y el sustrato orgánico.

Proceso metabólico: los contaminantes orgánicos adsorbidos en la superficie de las células microbianas del lodo activado se metabolizan. La materia orgánica disuelta y de moléculas pequeñas- penetra directamente la pared celular hacia el interior de la célula bajo la acción de enzimas permeabilizantes, donde se metaboliza. La materia orgánica de moléculas grandes-coloidales y suspendidas, como el almidón y las proteínas, se hidroliza primero en moléculas pequeñas disueltas mediante enzimas extracelulares-hidrolasas-antes de ingresar a la célula. Una vez dentro de la célula, los contaminantes orgánicos se oxidan y descomponen gradualmente en productos inorgánicos estables, como CO2 y H2O, bajo la catálisis de varias enzimas intracelulares, liberando energía para la síntesis celular. En este proceso, la materia orgánica se transforma en sustancias inorgánicas simples y estables mediante reacciones bioquímicas, logrando la eliminación de contaminantes.