ES2315009T3 - Sistemas reactores con cargas secuenciales de mezcla anoxica de equilibrio. - Google Patents
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Abstract
Un método de reacción por cargas secuenciadas y mezcla anóxica de equilibrio, para tratar aguas residuales y reducir su contenido de sólidos, la demanda biológica de oxígeno (DBO) y el contenido de compuestos nitrogenados en un tiempo global de ciclo de tratamiento, mediante reacción por cargas secuenciadas, de menos de 20 horas, que comprende las etapas de: proporcionar una zona anaeróbica de pretratamiento, una zona anóxica de tratamiento de aguas residuales y una zona aeróbica de tratamiento secuenciado de líquido residual, en la que la relación de volumen de la zona anóxica de tratamiento de líquido residual, respecto al volumen de la zona aeróbica de tratamiento secuenciado de líquido residual, está en el intervalo de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 1; y en la que la zona anaeróbica de tratamiento tiene un volumen de tratamiento en el intervalo de aproximadamente el 30 por ciento a aproximadamente el 300 por ciento del volumen de tratamiento de la zona anóxica de tratamiento; introducir las aguas residuales procedentes de dicha zona anaeróbica de pretratamiento en la zona anóxica de tratamiento del líquido residual que contiene sólidos residuales que incluyen microorganismos bajo condiciones anóxicas; introducir las aguas residuales y los microorganismos de tratamiento, procedentes de dicha zona anóxica de tratamiento del líquido residual, en la zona aeróbica de tratamiento secuenciado del líquido residual, que contiene sólidos residuales que incluyen microorganismos de tratamiento bajo condiciones aeróbicas; mezclar y airear el líquido residual en la zona aeróbica de tratamiento de aireación por cargas secuenciadas para reducir la demanda biológica de oxígeno de las aguas residuales y convertir al menos una porción del contenido nitrogenado de las aguas residuales en componentes de nitrito o nitrato inorgánico; introducir y mezclar el líquido residual y los microorganismos de tratamiento, procedentes de la zona de tratamiento secuenciado del líquido residual, en la zona anóxica de tratamiento del líquido residual para proporcionar a la zona aeróbica de tratamiento de reacción por cargas secuenciadas, componentes oxidantes de nitrato o nitrito, para el metabolismo de los microorganismos del tratamiento anóxico y convertir los componentes de nitrato o nitrito en nitrógeno para su separación de las aguas residuales; mantener, a continuación, el líquido residual en las zonas aeróbicas de tratamiento de aguas residuales por cargas secuenciales, en un estado de reposo durante un periodo de sedimentación para formar una capa superior clarificada y una capa inferior de licor residual estratificada que contiene sólidos residuales que incluyen los microorganismos de tratamiento; reciclar el licor residual desde la zona anóxica, o la zona aeróbica, a la zona anaeróbica de pretratamiento con un caudal en el intervalo de aproximadamente 50/1 a aproximadamente 1/300 del caudal de las aguas residuales influentes a la zona anaeróbica de tratamiento, en la que al menos una porción de los sólidos totales en suspensión de las aguas residuales influentes que van a ser tratadas, sedimentan en una zona anaeróbica de sólidos sedimentados en la porción inferior de la zona anaeróbica de tratamiento, en la que al menos el 50 por ciento en peso del contenido de sólidos microbianos y otros (STS) del licor residual, reciclado directa o indirectamente a la zona anaeróbica, sedimenta en la zona anaeróbica de sólidos sedimentados, en la porción inferior de la zona anaeróbica de tratamiento, junto con los sólidos de las aguas residuales influentes sedimentados, en los que al menos el 10 por ciento en peso de los sólidos orgánicos que sedimentan en la zona de sólidos sedimentados, son digeridos biológicamente de forma anaeróbica para producir componentes sólidos solubles digeridos anaeróbicamente y gas, en el que las aguas residuales procedentes de la zona anaeróbica de tratamiento que incluye tanto aguas residuales influentes como aguas residuales del licor residual reciclado, son conducidas desde la zona anaeróbica a la zona anóxica, y en la que al menos los componentes solubles de la digestión anaeróbica, producidos por la digestión anaeróbica en la zona anaeróbica de tratamiento, son conducidos en el flujo de aguas residuales desde la zona anaeróbica de tratamiento a la zona anóxica de tratamiento para el biotratamiento anóxico, y a la zona aeróbica de tratamiento para el biotratamiento aeróbico; y separar una porción predeterminada de la capa superior clarificada de la respectiva zona de tratamiento secuenciado de aireación como una corriente efluente tratada que tiene contenido de sólidos, una DBO y un contenido de compuestos nitrogenados reducidos con respecto a dichas aguas residuales influentes.
Description
Sistemas reactores con cargas secuenciales de
mezcla anóxica de equilibrio.
La presente invención está dirigida a métodos y
aparatos para el tratamiento de aguas residuales, y más
concretamente está dirigida a métodos de reacción por cargas
secuenciales y a aparatos para el tratamiento de aguas
residuales.
El tratamiento de aguas residuales y las normas
y objetivos de los efluentes tratados se han hecho cada vez más
estrictos en cuanto a la separación de los componentes de las aguas
residuales, tales como los sólidos totales en suspensión (STS), la
demanda biológica de oxígeno (DBO), el nitrógeno (como nitrato y
amoníaco) y el fósforo, procedentes de grandes volúmenes de aguas
residuales municipales e industriales. Los sistemas de lodos
activados del tipo de flujo continuo, en los que una corriente
influente es tratada continuamente y descargada continuamente a
través de una o más zonas de tratamiento, o del tipo de reactor por
cargas secuenciadas en el que una corriente influente continua es
tratada secuencialmente y descargada intermitentemente, se usan
convencionalmente para el tratamiento de aguas residuales. En estos
sistemas de tratamiento de lodos activados, se concentran
microorganismos de tratamiento en el sistema de tratamiento con el
fin de separar más rápidamente las impurezas de las aguas
residuales, incluyendo DBO, componentes nitrogenados y fosforados de
las aguas residuales. Los muy diversos cultivos mixtos utilizados
en estos sistemas de tratamiento de aguas residuales con lodos
activados, para la separación biológica de la DBO, nitrógeno y
fósforo, incluyen heterótrofos normales (que pueden consumir
componentes orgánicos de las aguas residuales para producir dióxido
de carbono y reducir la DBO, así como de intermediarios en la
desnitrificación), autótrofos (que sirven de intermediarios en el
consumo de componentes nitrogenados de las aguas residuales) y
fosfótrofos (que pueden acumular polifosfatos al consumir
componentes de aguas residuales que contienen fósforo).
Los diversos tipos de microorganismos en los
cultivos de lodos activados utilizan normalmente diferentes
nutrientes, oxigenación y otras condiciones para la separación
óptima de los diferentes componentes de las aguas residuales. Los
materiales orgánicos en las aguas residuales son consumidos por los
microorganismos de los "lodos activados" tanto para la
aportación de energía como para la síntesis celular, estimulada por
las reacciones de oxidación-reducción que implican
la transferencia de electrones desde un componente de las aguas
residuales que se va a oxidar (el donante de electrones) hasta un
material oxidante (el receptor de electrones). El metabolismo
heterótrofo utiliza componentes orgánicos de las aguas residuales
como donantes de electrones, mientras que el metabolismo autótrofo
utiliza componentes inorgánicos de las aguas residuales como
donantes de electrones. En los sistemas aeróbicos, en los que se
airean las aguas residuales, se utiliza oxígeno por parte de los
microorganismos de los "lodos activados" como el receptor final
de electrones. En sistemas anóxicos, el oxígeno está
sustancialmente agotado, y los microorganismos de los "lodos
activados" utilizan nitratos y nitritos como los principales
receptores finales de electrones. Bajo condiciones anaeróbicas los
componentes de oxígeno, nitratos y nitritos están sustancialmente
agotados, y los carbonatos y sulfatos sirven como principales
receptores finales de electrones en las reacciones celulares (M.G.
Mandt y B.A. Bell "Oxidation Ditches", 169 págs., 1982, Ann
Arbor Science Publishers). Habrá que indicar que pueden predominar
diferentes microorganismos y/o vías metabólicas bajo estas
diferentes condiciones aeróbicas, anóxicas, y
anaeróbicas.
anaeróbicas.
Otro método para el biotratamiento de las aguas
residuales está descrito por Demoulin y colaboradores (Korrespondenz
Abwasser, Vol. 93(8), 1996, 1416-1425). Su
método se basa en la tecnología cíclica de los lodos activados.
Los reactores por cargas secuenciadas que, como
los descritos en la Patente de EE.UU. 4.596.658 a Mandt, se
utilizan convencionalmente para el tratamiento de aguas residuales
con el fin de proporcionar un efluente de alta calidad, sometiendo
un volumen dado de aguas residuales a una secuencia predeterminada
de diferentes etapas de tratamiento en modo de cargas, en el mismo
equipo del reactor por cargas. A este respecto, normalmente se
puede introducir un volumen de aguas residuales como una corriente
de alimentación continua o discontinua en un sistema de tratamiento
mediante un reactor por cargas secuenciadas y someterse a una mezcla
y aireación prolongadas, durante un periodo de tiempo
predeterminado, para proporcionar la oxidación biológica, el consumo
y otra separación de componentes de las aguas residuales. La mezcla
y aireación puede pararse posteriormente, y mantenerse las aguas
residuales en un estado en reposo, en la misma zona de tratamiento,
para permitir que los sólidos de las aguas residuales, que incluyen
organismos para el tratamiento microbiológico, sedimenten en el
reactor. Una porción clarificada de las aguas residuales tratadas se
puede separar posteriormente desde la porción superior del reactor
que, a su vez, puede ser dirigida a las posteriores etapas de
tratamiento y descarga. Las aguas residuales adicionales que se van
a tratar pueden ser introducidas luego en el reactor por cargas
secuenciadas, y repetirse el ciclo. Para muchas aplicaciones del
tratamiento de aguas residuales, los reactores por cargas
secuenciadas pueden proporcionar una serie de ventajas sobre los
sistemas de tratamiento de flujo continuo, de tipo más antiguo, en
términos de coste, área física y necesidades de energía para la
operación. Sin embargo, aunque los reactores por cargas secuenciadas
han probado ser sistemas de tratamiento eficaces, flexibles y
económicos, de aguas residuales, serán deseables otras mejoras que
puedan aumentar la eficacia del tratamiento, y/o optimizar las
condiciones del tratamiento, como por ejemplo las condiciones
anóxicas y aeróbicas de tratamiento, para la separación de
componentes de las aguas residuales. Será deseable que estos
aparatos y métodos mejorados, con reactor por cargas secuenciadas,
sean simples y eficaces en operación, lo que permitirá la
intensificación y la interacción sinérgica de las condiciones
anóxicas y aeróbicas del tratamiento para ayudar a la separación de
los componentes de las aguas residuales, e intensificará la utilidad
y la efectividad del coste de los reactores por cargas secuenciadas
para el tratamiento de aguas residuales.
Por consiguiente, es un objeto de la presente
invención proporcionar tales métodos y aparatos mejorados, y
sistemas de reactores por cargas secuenciadas que utilizan tales
métodos y aparatos.
En muchas plantas de tratamiento biológico que
tratan aguas residuales municipales, aproximadamente del 1 al 2%,
en volumen, del efluente sale del proceso de tratamiento como lodo
residual diluido (LRD) que requiere un tratamiento adicional y/o su
eliminación. El tratamiento adicional y eliminación de este 1 a 2%
de lodos residuales diluidos puede representar una parte
significativa (por ejemplo, hasta el 50%) del coste total del
tratamiento de las aguas residuales en una planta moderna de
tratamiento. Además de los gastos financieros para el
almacenamiento en depósitos y para los equipos de reducción de
lodos, desecación, transporte y eliminación final, hay costes de
operación significativos, persistentes en el tiempo, para la
energía, productos químicos para el tratamiento, aranceles de
transporte y de vertido controlado. Los costes de operación
persistentes para la reducción de lodos, desecación, transporte y
eliminación final de los lodos, pueden incluso constituir la parte
más sustancial del coste en los presupuestos de operación de las
aguas residuales municipales. Además, estos costes han tendido a
aumentar en los últimos años con creciente oposición pública y
política, en muchas localidades, al transporte y eliminación de
lodos, limitando por ello los puntos y las capacidades de
eliminación.
Muchas plantas convencionales de tratamiento de
aguas residuales municipales tratan lodos residuales usando la
digestión anaeróbica o aeróbica para la reducción de lodos orgánicos
y patógenos en los lodos residuales producidos mediante sistemas de
tratamiento biológico de aguas residuales de crecimiento suspendido,
tales como los diversos sistemas de lodos activados, con flujo
continuo, sistemas de reactor por cargas secuenciadas, y sistemas
biológicos de crecimiento fijo que incluyen filtros de percolación o
contactores biológicos rotativos. Independientemente de la fuente,
los lodos residuales (LRD) están normalmente diluidos, generalmente
con un contenido de sólidos inferior al 1-2% en
peso. Los sólidos totales en suspensión (STS) contenidos en estos
lodos consisten en sólidos volátiles en suspensión (SVS) u
orgánicos, y sólidos en suspensión fijos (SSF) o inorgánicos
inertes. La fracción orgánica es, normalmente, aproximadamente el
70% de los sólidos totales en suspensión, y comprende
microorganismos, celulosa, fragmentos y piezas de plástico, y otros
compuestos orgánicos insolubles. Dependiendo de los constituyentes
del influente y del tipo de sistema de biotratamiento usado para
tratar las aguas fecales, los SVS normalmente oscilarán entre
aproximadamente el 60 y el 90% de los STS. La mayoría de las
plantas mas grandes de tratamiento de aguas residuales, y
sustancialmente todas las plantas, de tamaño pequeño y medio, para
el tratamiento de aguas residuales, usan una digestión aeróbica de
lodos en vez de una digestión anaeróbica más compleja. En la
digestión aeróbica, los lodos residuales se mantienen en un
depósito en donde se airean repetidamente y se espesan, sedimentando
por gravedad y decantando el sobrenadante. El sobrenadante se puede
reciclar a la planta de biotratamiento que trata las aguas fecales.
Los lodos digeridos restantes son muy higroscópicos, y como un
límite práctico, generalmente no se pueden espesar fácilmente más
allá del 2-3% en peso de concentración de
sólidos.
La United States Environmental Protection Agency
(Agencia de Protección Medioambiental de Estados Unidos) (la EPA)
recomiendas que los lodos residuales se mantengan y se aireen lo
suficiente como para destruir el 38% de los SVS, con el fin de
reducir los agentes patógenos y el olor potencial de los lodos, y
para producir unos lodos más estables que sean adecuados para el
transporte de líquidos y la eliminación en el terreno o la
desecación y tratamiento adicional. La desecación se puede llevar a
cabo mediante tratamiento químico usando dosis relativamente
grandes de costosos polímeros sintéticos para contrarrestar la
naturaleza higroscópica de los lodos, aglomerar los sólidos y
permitir una adicional separación del agua. Normalmente se usan
centrífugas horizontales, con cesta sin perforar, o filtros prensas
de correa, para separar mecánicamente el agua de los lodos tratados
con polímeros, aumentando el contenido de sólidos hasta,
normalmente, el 15 a 25% en peso. En este punto, los lodos se
pueden transportar en camión y pueden ser transportados a un
vertedero. Como alternativa, se ha usado el secado de lodos y la
incineración o la formación de composta para tratar más los lodos y
reducir su volumen.
La consecución de una reducción del 38% de los
SVS, recomendada por la EPA de EE.UU., mediante digestión aeróbica
requiere, normalmente, un almacenamiento considerable en depósitos,
así como un prolongado contacto por aireación o tiempo de
retención. Los requisitos de almacenamiento en depósitos pueden ser,
por ejemplo, aproximadamente un 25% a un 50% del volumen de
almacenamiento en depósitos para el sistema de tratamiento principal
de las aguas fecales. A este respecto, una planta que trata 3,8
millones de litros por día (Mld) de aguas fecales municipales, que
contienen 200 mg/l de DBO5 y 200 mg/g de STS, en el influente, puede
producir aproximadamente 773 kg de lodos residuales por día. Si los
lodos se separan o se "gastan" con un contenido de sólidos del
1%, aproximadamente se deben gastar 75700 litros por día (lpd) de
lodos residuales procedentes de la planta de tratamiento, que
asciende a, aproximadamente, el 2% del flujo del influente.
Suponiendo que se requieran 30 días de tiempo de mantenimiento de
lodos para la digestión aeróbica de los lodos y asegurar la
separación de al menos el 38% de los SVS de los lodos, el
almacenamiento en depósitos de 2271247 litros, para la digestión
aeróbica requerida, puede aproximarse a, o igualar, los requisitos
de almacenamiento en depósitos para el tratamiento real de las
aguas fecales. Algunos estados como por ejemplo Iowa, que prohíben
la aplicación en suelos, en invierno, cuando el terreno está helado,
requieren 180 días de almacenamiento de los lodos, lo que aumenta
significativamente los requisitos de almacenamiento en depósitos. En
este ejemplo, de los 773 kg de lodos por día que requieren la
digestión aeróbica, aproximadamente el 70%, o 541 kg, pueden ser
orgánicos (SVS), que dejan 232 kg de materiales inorgánicos o
biológicamente inertes que no pueden ser oxidados biológicamente.
Si el 38% de los SVS se consume o se destruye, todavía habrá
aproximadamente 336 kg de SVS en los lodos. Los lodos digeridos en
ese punto, serán aproximadamente el 60% orgánico y el 40%
inorgánico. Los lodos se digieren y se consumen (se destruyen) por
oxidación biológica de materiales orgánicos y la
auto-oxidación de la biomasa microbiana. Si los
lodos digeridos abandonan el digestor con un contenido de sólidos
del 1,5%, aproximadamente 37845 litro por día, o el 1% de las aguas
residuales influentes en la planta de tratamiento, se deben
transportar mojados al vertedero o ser enviados a un tratamiento
adicional. Por consiguiente, es un objetivo de algunas
realizaciones de la presente descripción proporcionar sistemas de
tratamiento que puedan reducir sustancialmente la cantidad de lodos
que se deben eliminar mediante un vertedero o un tratamiento
adicional.
Otros objetivos de diversas realizaciones
opcionales de la presente descripción son proporcionar procesos y
sistemas de tratamiento que contengan materia flotante superficial y
se transfieran tranquilamente las aguas residuales, y/o que sean
capaces de reducir la cantidad total de lodos para eliminar desde
aproximadamente el 1%, o más, a menos del 0,011% en volumen de las
aguas residuales influentes para ser tratadas. Un objetivo más de
estas realizaciones es producir un subproducto estable,
relativamente inerte que tenga características "menos similares a
los lodos" para la eliminación final sobre el terreno o en
vertederos locales.
Esos y otros objetos de la descripción (que
pueden ser cada uno de ellos independientes de los otros objetivos,
en diferentes realizaciones de la invención, o se pueden combinar
con otros objetivos, concretamente en realizaciones preferidas), se
harán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada
de los dibujos que se adjuntan.
La Figura 1 es un diagrama esquemático del
proceso operativo de una realización del procedimiento de reacción
por cargas secuenciadas y mezcla anóxica de equilibrio, según un
componente de la presente invención, en el que las aguas residuales
se tratan en zonas anóxicas y aireadas, de tratamiento por cargas,
que interaccionan;
la Figura 2 es un diagrama esquemático del
procedimiento operativo de otra realización de un componente de la
presente invención, similar al ilustrado en la Figura 1, en la que
el licor mixto procedente de una zona de mezcla anóxica de
equilibrio interacciona alternativamente con dos zonas aireadas de
decantación y de reacción por cargas;
la Figura 3 es una vista en planta de una planta
de tratamiento doble de aguas residuales mediante un reactor por
cargas secuenciadas y depósito del tratamiento, que utiliza un
diseño de tratamiento de mezcla anóxica de equilibrio según un
componente de la presente invención;
la Figura 4 es una vista lateral de un corte
transversal, parcialmente separado, de la planta de tratamiento de
aguas residuales por cargas secuenciadas, y mezcla anóxica de
equilibrio, de la Figura 3 tomada a través de la línea
A-A;
la Figura 5 es una vista lateral de un corte
transversal de la cámara de mezcla anóxica de equilibrio y la
cámara de reacción por cargas secuenciadas de la planta de
tratamiento de la Figura 3, tomada a través de la línea
B-B de la Figura 4,
la Figura 6 es una vista en planta de otra
realización de un sistema de reactores por cargas secuenciadas, de
diseño compacto, en el que una única cámara de mezcla anóxica de
equilibrio interacciona con una única cámara de decantación y
aireación por cargas secuenciadas;
la Figura 7 es una vista en corte transversal de
un sistema de reactores por cargas secuenciadas de la Figura 6,
tomada a través de la línea A-A
la Figura 8 en una vista latera, en corte
transversal, de una realización de un dispositivo de difusión y
regulación del flujo entre depósitos, y de desnatado de la
superficie para sistemas de tratamiento de aguas residuales, como
por ejemplo los sistemas de mezcla anóxica de equilibrio, ilustrados
en las Figuras 1-7;
la Figura 9 es una vista en perspectiva del
aparato para la difusión en reposo y la regulación del flujo de la
Figura 8;
la Figura 10A es una vista en planta del aparato
para la difusión en reposo y la regulación del flujo de la Figura
9, durante las condiciones de alto flujo en una etapa de
decantación, en la operación de un sistema de tratamiento de aguas
residuales con mezcla anóxica de equilibrio;
la Figura 10B es una vista en planta del
dispositivo de la Figura 9, durante la etapa de interacción de un
sistema de tratamiento con mezcla anóxica de equilibrio;
la Figura 11A es un diagrama esquemático del
proceso operativo, que representa un típico equilibrio de sólidos,
para un sistema de tratamiento convencional de aguas residuales;
la Figura 11B es un diagrama esquemático del
proceso operativo que representa un equilibrio de sólidos, para
ciertas realizaciones de sistemas, según la presente
descripción;
las Figuras 12A y 12B representan,
respectivamente, diagramas esquemáticos de los procedimientos
operativos de sistemas integrados de mezclas anóxicas de
equilibrio, con reducción anaeróbica de lodos con reciclaje, y las
Figuras 12C y 12D representan sistemas independientes de reducción
de lodos, que utilizan un pretratamiento reciclado anaeróbico, y
que incluyen estos sistemas de reducción de lodos con separación del
contenido inorgánico;
la Figura 13 es una vista lateral, en corte
transversal, de un sistema de reducción de lodos, útil en los
diseños de tratamientos de operación, como los de la Figura 12;
y
la Figura 14 es una vista superior de un sistema
de reducción de lodos, útil en los diseños de procedimientos
operativos como los de la Figura 12.
Generalmente, según la presente invención, se
dispone de aparatos y métodos para el tratamiento de aguas
residuales mediante reacción por cargas secuenciada, que utilizan
zonas aeróbicas de reacción por cargas secuenciadas para tratar las
aguas residuales, con el fin de reducir su contenido de sólidos, la
demanda biológica de oxígeno y el contenido de compuestos
nitrogenados, mediante el uso por separado, de zonas aeróbicas y
anóxicas de tratamiento que interaccionan. Según estos métodos, las
aguas residuales influentes que van a ser tratadas se pueden
introducir en una zona anóxica de tratamientos de líquidos
residuales que contiene sólidos residuales que incluyen
microorganismos de tratamiento. Normalmente, el tiempo global del
ciclo para llevar a cabo la etapa de tratamiento secuencial del
ciclo de tratamiento será inferior a 20 horas y, preferiblemente,
inferior a 15 horas, aunque el tiempo del ciclo variará dependiendo
de factores que incluyen la temperatura y el tipo y concentración
de impurezas que se van a tratar. Las aguas residuales influentes
pueden, normalmente, ser aguas residuales municipales o
industriales, que pueden contener diversos tipos de impurezas, tales
como amoníaco, nitrógeno orgánico, nitratos, nitritos,
hidrocarburos solubles e insolubles, fibras de celulosa, sólidos
sedimentables y coloidales y otros materiales orgánicos, sólidos
inorgánicos o arenillas, grasas, aceites, grasas lubricantes y
fosfatos, así como una diversidad de otras impurezas. Un componente
de la invención, es la introducción de aguas residuales
directamente en la zona anóxica de tratamiento. Otro componente de
la invención es el pretratamiento por filtración, tamizado,
desarenado, clarificación primaria, y/o el paso a través de una zona
aeróbica de tratamiento o de retención, como por ejemplo una cámara
"trampa de detritus" de recogida de sólidos, antes de la
introducción en la zona anóxica de tratamiento. Los beneficios del
pretratamiento anaeróbico, con reciclaje, se describirá, más
adelante, después de describir el tratamiento con mezcla anóxica de
equilibrio
Según diversos aspectos de la presente
invención, las aguas residuales y los microorganismos, procedentes
de la zona anóxica de tratamiento de líquidos residuales, se
introducen en una zona de tratamiento de aireación mediante
reactores por cargas secuenciadas (RCS), que contienen sólidos
residuales que incluyen microorganismos de tratamiento, que se
mantienen preferiblemente durante al menos la mayor parte del ciclo
de tratamiento bajo condiciones aeróbicas. El líquido residual en
la zona aeróbica de tratamiento de aireación, por cargas
secuenciadas, se mezcla y se airea durante el tiempo de un ciclo de
tratamiento de aireación para reducir la demanda biológica de
oxígeno de las aguas residuales y para convertir al menos una
porción de componentes nitrogenados de las aguas residuales en
componentes inorgánicos de nitrato o de nitrito. Según se ha
indicado, las aguas residuales se mantienen preferiblemente bajo
condiciones aeróbicas en la zona de tratamiento de aireación,
durante al menos la mitad del tiempo del ciclo del tratamiento
global, aunque se puede requerir menos tiempo de aireación para
ciertos tipos de aguas residuales influentes, como por ejemplo aguas
residuales con contenido relativamente alto de nitratos. Un aspecto
importante de los métodos, es que el líquido residual y los
microorganismos de tratamiento, procedentes de la zona de aireación
por cargas secuenciadas, se introducen también, y se mezclan, en la
zona anóxica de tratamiento, para proporcionar componentes oxidantes
de nitrato o nitrito para el metabolismo de los microorganismos de
tratamiento anóxico, y para convertir los componentes de nitrato o
nitrito en nitrógeno y separarlos de las aguas residuales en la zona
anóxica de tratamiento. Posteriormente, el líquido residual en la
zona aireada de tratamiento se mantiene en un estado de reposo,
durante un periodo de sedimentación, para formar una capa superior
clarificada, y una capa inferior estratificada que contiene los
sólidos residuales que incluyen los microorganismos de tratamiento.
Una porción de la capa superior clarificada del efluente tratado,
se puede separar, preferiblemente, mediante la decantación desde la
zona de tratamiento de aireación secuenciada. El líquido clarificado
decantado es un efluente tratado, de alta calidad. Las aguas
residuales influentes que van a ser tratadas se producen
generalmente sobre una base continua, cuyo caudal puede variar en
diferentes momentos del día, con otras variaciones adicionales
semanales o estacionales. Las aguas residuales influentes se
introducen, por consiguiente, en la zona anóxica de tratamiento del
líquido residual, que sirve para amortiguar, al menos parcialmente,
el flujo del influente durante el ciclo de tratamiento del sistema
de reactores por cargas secuenciadas. Los flujos del influente son,
frecuentemente, continuos, aunque pueden variar en caudal. El flujo
del influente también puede ser discontinuo (interrumpido), pero
normalmente será continuo, requiriendo una fácil capacidad de
tratamiento. Una ventaja de los sistemas de mezcla anóxica de
equilibrio, es que los flujos continuos y los del influente continuo
se pueden acomodar fácilmente. La relación del volumen de la zona
anóxica de tratamiento del líquido residual, respecto al volumen de
la zona aeróbica de tratamiento por cargas secuenciadas, está
relacionada con la función de amortiguación o ecualización del
flujo de la zona de mezcla anóxica, y la relación relativa del
nitrógeno respecto a los componentes de la DBO en las aguas
residuales. Normalmente, la relación de volúmenes de la zona de
tratamiento de la mezcla anóxica respecto a la zona o zonas
aeróbicas de tratamiento por cargas que se introduce e
interacciona, estará en el intervalo de aproximadamente 0,2 hasta
aproximadamente 1,0, y preferiblemente de aproximadamente 0,3 hasta
aproximadamente 0,7. Para aguas residuales municipales, la zona de
tratamiento con mezcla anóxica de equilibrio tendrá aproximadamente
la mitad del volumen de la zona aireada de tratamiento por cargas
secuenciadas, aunque para aguas residuales industriales o
municipales con alto contenido de nitrógeno (por ejemplo, una
concentración de 40 mg/l), el volumen de la zona anóxica de
tratamiento puede ser aproximadamente el mismo que el de las zonas
aeróbicas de tratamiento por cargas secuenciadas, con el fin de
tratar apropiadamente la separación del nitrógeno. Según se indicó,
la interacción del líquido residual entre la zona del tratamiento
de aireación y la zona de mezcla anóxica es importante. La
interacción deberá ser suficientemente rápida para ser eficaz, pero
no deberá ser tan rápida como para que no se mantengan optimizados
los respectivos gradientes de reacción anóxica y aeróbica, en las
respectivas zonas. La introducción de aguas residuales y
microorganismos de tratamiento desde la zona anóxica de tratamiento
del líquido residual a la zona aeróbica de tratamiento por cargas
secuenciadas, y la introducción de las aguas residuales y de los
microorganismos de tratamiento desde la zona de aireación por
cargas secuenciadas a la zona de tratamiento con mezcla anóxica,
deseablemente se llevan a cabo, cada una de ellas, durante esta
interacción, a razón de al menos aproximadamente el 20 por ciento
y, preferiblemente, al menos aproximadamente el 50 por ciento del
volumen total de la zona aeróbica de tratamiento, por hora. La
interacción del líquido residual en la zona aeróbica de tratamiento
es continua hasta que se consigue un nivel deseado de DBO y de
reducción del nitrógeno. A continuación de la fase de interacción,
las aguas residuales en la zona aeróbica de tratamiento se mantiene
en un estado de reposo para clarificar una capa superior de las
aguas residuales, y una porción de la capa superior clarificada se
descarga desde la zona de tratamiento como agua residual tratada.
El ciclo de tratamiento secuencial por cargas se repite
posteriormente.
Las realizaciones particularmente preferidas del
presente método, utilizan una secuencia repetitiva de las
siguientes etapas:
- Una etapa de llenado en la que las aguas residuales influentes, se introducen en una zona de mezcla anóxica y se bombean desde la zona de mezcla anóxica hasta la zona aeróbica de tratamiento de aireación por cargas secuenciadas, hasta que se alcanza un predeterminado nivel superior del líquido en la zona aeróbica de reacción por cargas secuenciadas;
- una etapa de interacción en la que el líquido residual se airea o se mezcla en la zona aeróbica de tratamiento de aireación por cargas secuenciadas, mientras que el líquido procedente de la zona aeróbica que contiene componentes de nitrato o nitrito se introduce en la zona de mezcla anóxica, y el líquido residual anóxico procedente de la zona anóxica se introduce en la zona aeróbica. Preferiblemente, esta introducción de líquido procedente de la zona de tratamiento de aireación en la zona de mezcla anóxica, y de líquido procedente de la zona de mezcla anóxica en la zona aeróbica de tratamiento, se lleva a cabo, cada uno de ellos, a razón de al menos 0,2 veces el volumen del líquido en la zona de mezcla anóxica por hora, y más preferiblemente, a una razón en el intervalo de aproximadamente 50 a aproximadamente 500 por ciento del volumen total del líquido residual en la zona aeróbica de tratamiento, por hora, durante la etapa de interacción.
- una etapa de sedimentación en la que las aguas residuales influentes, se introducen en la zona anóxica de tratamiento, mientras que el líquido residual en la zona aeróbica se mantiene en un estado de reposo sustancialmente sin mezcla, aireación o introducción de las aguas residuales procedentes de la zona anóxica, para proporcionar una zona superior de aguas residuales clarificadas, y
- una etapa de decantación en la que el efluente clarificado se retira de la zona superior clarificada de la zona aeróbica de tratamiento.
Los tiempos de los ciclos para las etapas
individuales y el tiempo global del ciclo del proceso por cargas
dependerá de una diversidad de parámetros de diseño del sistema, así
como de la carga de impurezas de las aguas residuales, de la
temperatura del agua y de factores similares. La iniciación de cada
etapa, y la conclusión de una etapa precedente, se pueden controlar
de cualquier manera adecuada, como por ejemplo basándose en el
tiempo controlado, o se puede poner en marcha mediante diversas
condiciones del nivel de agua en el sistema de tratamiento. La
regulación de las etapas de tratamiento secuencial se puede
controlar también mediante sensores apropiados tales como sensores
de oxígeno y de nitrato. El ciclo del tratamiento total puede durar
normalmente de aproximadamente 2 a aproximadamente 12 horas, pero
puede ser más largo, por ejemplo bajo condiciones de tiempo frío o
de alta carga orgánica o de nitrógeno. La etapa de llenado se lleva
a cabo, normalmente, durante aproximadamente el 10% hasta
aproximadamente el 30% del tiempo total del ciclo del tratamiento,
que puede ser normalmente desde aproximadamente 6 minutos, o 0,1,
horas hasta aproximadamente 2 horas, para un sistema que tiene un
tiempo de retención hidráulica de aproximadamente 16 a
aproximadamente 20 horas. La etapa de interacción se lleva a cabo
normalmente durante aproximadamente el 25% hasta aproximadamente el
30% del tiempo total del ciclo de tratamiento, que puede ser
normalmente desde aproximadamente 0,5 a 1 hora, para un sistema que
tiene un tiempo de retención hidráulica de aproximadamente 16 hasta
aproximadamente 20 horas. La etapa de decantación se lleva
normalmente a cabo durante aproximadamente el 5% hasta
aproximadamente el 25% del tiempo total del ciclo de tratamiento,
que normalmente puede ser de aproximadamente 0,1 a 1 hora, para un
sistema que tiene un tiempo de retención hidráulica de
aproximadamente 16-20 horas.
Los métodos pueden incluir, además, una etapa de
reacción con mezcla y/o aireación, por separado, después de la
etapa de interacción y antes de la etapa de sedimentación, en la que
el influente se introduce en una zona de mezcla anóxica, y las
aguas residuales en la zona aeróbica de tratamiento se mezclan y se
airean sin la introducción de aguas residuales desde la zona de
mezcla anóxica a la zona anaeróbica de tratamiento. La etapa de
mezcla y/o de aireación, por separado, se puede llevar normalmente a
cabo desde aproximadamente 0 hasta aproximadamente 12 horas,
preferiblemente desde aproximadamente 0,1 hasta aproximadamente 3
horas, o hasta que la DBO se reduzca hasta un valor predeterminado,
como por ejemplo menos de 20 mg/l.
En estos métodos de tratamiento, los sólidos de
las aguas residuales, que incluyen particularmente los organismos
de tratamiento microbiológico que crecen en las aguas residuales, se
pueden separar periódicamente del sistema de tratamiento. A este
respecto, se puede separar, deseablemente, de la zona aeróbica de
tratamiento, una porción de sólidos de las aguas residuales durante
o después de la decantación del efluente clarificado, y antes de
que se complete la etapa de llenado. Las aguas residuales que
contienen microorganismos de aguas residuales y otros sólidos, se
pueden bombear a un aparato convencional de separación de sólidos,
de digestión o de eliminación, según la práctica convencional. Sin
embargo, una porción de las aguas residuales que contiene estos
sólidos, también se puede introducir en una zona de digestión
anaeróbica, como por ejemplo una "trampa de detritus"
anaeróbica para la posterior introducción en la zona de mezcla
anóxica. De esta manera, los sólidos totales producidos por el
sistema de tratamiento se pueden reducir significativamente,
mediante la digestión anaeróbica de los sólidos residuales. Además,
se puede facilitar la separación del fósforo. A este respecto,
cuando los microorganismos del licor mixto son sometidos a
condiciones anaeróbicas, las células tienden a ceder el fósforo y
el amoníaco, de vuelta a la solución, para crear un influente más
rico en fósforo y en nitrógeno. Cuando los microorganismos
supervivientes son sometidos posteriormente a un ambiente anóxico o
aeróbico en las zonas de mezcla anóxica o de reacción por cargas
secuenciadas aeróbicas, tienden a recoger más fósforo que el que se
cedió, particularmente con respecto al metabolismo del fósforo.
Debido a que los ciclos sedimentación y
decantación consumen tiempo, las aguas residuales anóxicas se pueden
transferir secuencialmente desde la zona de mezcla anóxica a una
pluralidad de zonas aeróbicas de tratamiento, con el fin de
minimizar la utilización de la zona de mezcla anóxica. A este
respecto, la zona de mezcla anóxica se puede llenar, e
interaccionar con una segunda zona aeróbica, mientras que la primera
zona aeróbica de tratamiento está en sus ciclos de sedimentación y
decantación. Esto optimiza la utilización de la zona de mezcla
anóxica porque tiene un suministro de nutrientes de nitrato y de
nitrito más constante para su operación, y reduce el volumen del
depósito de "amortiguamiento" o de ecualización, requerido para
acomodar el flujo continuo del influente durante el ciclo de
tratamiento secuencial del sistema. Esto puede reducir también el
cambio, en la zona de tratamiento de mezcla anóxica de equilibrio,
del nivel de operación durante el ciclo de tratamiento, y del nivel
elevado para bombear hasta la zona de tratamiento de aireación, lo
que aumenta la eficacia de la energía.
La presente invención también está dirigida a
sistemas de reactores por cargas secuenciadas,
multi-cámaras, para el tratamiento de las aguas
residuales. Estos sistemas de tratamiento comprenden generalmente un
depósito de reacción para la mezcla anóxica de equilibrio, una
entrada del depósito anóxico de reacción para introducir en el
depósito anóxico de reacción las aguas residuales que van a ser
tratadas, y un depósito de reacción por aireación para mezclar y
airear las aguas residuales y los microorganismos de tratamiento de
las aguas residuales, y una bomba para introducir el líquido
residual procedente del depósito de reacción de la mezcla anóxica
de equilibrio en el depósito de reacción por aireación. El depósito
de reacción por aireación incluirá un aireador para airear las
aguas residuales en el depósito aeróbico de reacción, y un
decantador para extraer el líquido desde la parte superior del
depósito aeróbico de reacción. Un componente importante del sistema
de tratamiento es un medio para introducir las aguas residuales
procedentes del depósito aeróbico de reacción en el depósito de
tratamiento de la mezcla anóxica, preferiblemente mientras que las
aguas residuales procedentes del depósito de mezcla anóxica se
bombean hacia el depósito de reacción por aireación. El medio para
transferir las aguas residuales desde el depósito de mezcla anóxica
al depósito de aireación secuenciada es, deseablemente, una bomba,
como por ejemplo una bomba para elevar aire o una bomba, o bombas,
centrífuga que tengan una capacidad total de bombeo de al menos
aproximadamente 2 y, preferiblemente, al menos 3 veces la capacidad
del flujo medio de tratamiento proyectado diariamente desde el
sistema de tratamiento de aguas residuales, y el medio para
introducir las aguas residuales procedentes del depósito aeróbico de
reacción en el depósito anóxico de reacción es, preferiblemente, un
diseño de rebosadero pasivo que tiene un orificio de admisión, o
vertedero, a un nivel superior predeterminado del líquido en el
depósito de reacción por aireación, y que descarga en el depósito
anóxico de reacción. Se pueden usar sistemas de bombeo, por
separado, para bombear respectivamente desde la zona de mezcla
anóxica a la zona aeróbica, y desde la zona aeróbica a la zona de
mezcla anóxica. Sin embargo, el uso de vertedero de superficie
pasivo es particularmente eficaz, y de mantenimiento gratis, y
devuelve ventajosamente al depósito, la materia flotante superficial
para un tratamiento anóxico adicional. Además, adapta el flujo
continuo sin poner válvulas entre los depósitos, y permite además la
sedimentación en reposo.
\vskip1.000000\baselineskip
Según aspectos del método de diversas
realizaciones de la presente invención, las aguas residuales que van
a ser tratadas se pueden introducir secuencialmente en zonas de
tratamiento del licor mixto que interaccionan y que contienen
sólidos residuales, incluyendo microorganismos de tratamiento. El
licor mixto aeróbico de aguas residuales se airea bajo condiciones
predeterminadas, durante un periodo de tiempo, para reducir la
demanda biológica de oxígeno de las aguas residuales. El licor mixto
se puede mantener posteriormente en un estado de reposo en la zona
de aireación por cargas secuenciadas, durante un periodo de
sedimentación, para formar una capa superior clarificada y una capa
inferior estratificada que contiene sólidos residuales. Para muchos
sistemas, normalmente, el periodo de tiempo de mezcla y aireación
(llenado e interacción) puede estar en el intervalo de
aproximadamente 1 hora a aproximadamente 5 horas y, preferiblemente,
desde aproximadamente 2 hasta aproximadamente 4 horas. En la
sedimentación, el periodo de reposo será normalmente inferior a
aproximadamente 2 horas y, preferiblemente, estará en el intervalo
de aproximadamente 30 minutos hasta aproximadamente 90 minutos. El
tiempo de decantación estará, normalmente, en el intervalo de
aproximadamente 0,1 hasta aproximadamente 1 hora. Estos tiempos son
por ciclo de tratamiento.
\newpage
En la Figura 1 se ilustra un diagrama
esquemático del procedimiento operativo de una realización de un
proceso de reacción por cargas secuenciadas, con mezcla anóxica de
equilibrio, según un componente de la presente invención, que
ilustra un modo de operación del sistema de tratamiento de aguas
residuales mostrado en las Figuras 3, 4 y 5.
Como se muestra en la Figura 1, según un
componente de la presente invención, una corriente influente 100 de
aguas residuales que se va a tratar, es introducida de forma
continua en una zona 102 de tratamiento de mezcla anóxica de
equilibrio, que está adyacente a una zona 104 de reacción por cargas
secuenciadas aireada. Las aguas residuales 8 que se van a tratar,
pueden ser, normalmente, aguas residuales municipales que se generan
continuamente, aunque el caudal puede variar tanto en las diversas
estaciones como en el transcurso de cada día o de la semana. La
corriente influente puede ser introducida desde su procedencia
industrial, municipal o generada de otra forma y, normalmente, será
tratada previamente mediante sistemas de separación de sólidos y
arenillas. La corriente influente se introduce primero en una zona
anaeróbica de tratamiento, como por ejemplo una "trampa de
detritus", antes de su introducción en la zona de mezcla anóxica.
En algunas realizaciones de la presente invención, la zona
anaeróbica de tratamiento se puede usar para reducir más los sólidos
producidos por el sistema, como se describirá.
En la Figura 1, el método de tratamiento se
ilustra en cinco fases de tratamiento: una fase de llenado inicial,
una fase de interacción, una fase opcional de reacción, una fase de
clarificación, y una fase de separación del efluente tratado. En la
fase de llenado, la zona de tratamiento de aireación se llena con
aguas residuales procedentes de la zona de mezcla anóxica, a medida
que las aguas residuales influentes que se van a tratar son
introducidas en la zona de mezcla anóxica. La introducción de las
aguas residuales en la zona aireada 104 de los reactores por cargas
comienza en un nivel de líquido relativamente bajo en la zona
aireada 104. La zona 102 de mezcla anóxica de equilibrio y la zona
104 de reacción (aireación) por cargas secuenciadas, contienen
licor mixto que incluye microorganismos de tratamiento de "lodos
activados" retenidos. La zona 102 de mezcla anóxica de
equilibrio se puede mezclar mecánicamente o hidráulicamente, pero
generalmente no se airea completamente, de forma que está en una
condición anóxica que conduce a la utilización de nitratos y
nitritos como agentes oxidantes por parte de los cultivos
bacterianos del licor mixto en la zona. La zona 104 de reacción por
cargas secuenciadas está relativamente aireada, y se mezcla también,
mecánicamente o hidráulicamente, de forma que el licor mixto en la
zona está en una condición aireada que conduce a la utilización de
oxígeno como el agente oxidante por parte de los cultivos de licor
mixto en la zona aireada 104. La fase de llenado continúa hasta que
la zona aireada de reacción se llene hasta una altura o volumen
predeterminados. Preferiblemente, la altura estará determinada por
la altura de la admisión de un vertedero de superficie pasivo para
el retorno del líquido y la del conducto para devolver el líquido a
la zona de mezcla anóxica. La etapa de llenado se puede dar, o se
da, por terminada cuando el depósito 104 RCS está lleno, de forma
que las aguas residuales que contienen nitrato procedentes de la
zona aeróbica 104 del depósito vuelven a la zona 102 de mezcla
anóxica.
La fase de interacción sigue a la fase de
llenado. Durante la fase de interacción, el licor mixto que sufre
el tratamiento de oxidación aeróbica en la zona RCS, se entremezcla
con el licor mixto y la corriente influente 100 que sufre el
tratamiento anóxico en la zona anóxica 102 de tratamiento, mientras
que las aguas residuales influentes 100 se introducen en la zona
anóxica. Por cada litro bombeado desde el depósito anóxico, regresa
un litro desde el depósito aeróbico. La etapa de interacción puede
incluir el bombeo intermitente y la aireación controlada por el
tiempo o por los sensores de oxígeno y/o nitrato disuelto. Se hace
notar que el llenado del sistema de tratamiento (zona 102) continúa
también a lo largo de la etapa de interacción, debido a que las
aguas residuales influentes que se van a tratar continúan fluyendo
hacia la zona anóxica de tratamiento.
Se puede utilizar cualquier bomba, o bombas,
adecuada, como por ejemplo bombas de fluidos accionadas mediante un
motor eléctrico, o bombas para elevar el aire. Durante la fase o
etapa de interacción, el licor mixto anóxico procedente de la zona
102 de mezcla anóxica de equilibrio se introduce en la zona 104
aireada, de reacción por cargas, y el licor mixto aireado
procedente de la zona 104 de reacción por cargas secuenciadas se
introduce en la zona de mezcla anóxica de equilibrio. Esto puede
realizarse bombeando el licor mixto desde la zona de mezcla anóxica
a una zona 102 del reactor aireado sustancialmente lleno, y
permitiendo que el licor mixto procedente de la zona 104 aireada de
reacción por cargas rebose y vuelva a la zona de mezcla anóxica de
equilibrio. Un sistema de rebose pasivo tiene un mantenimiento
relativamente gratis y es energéticamente eficiente, y tiene otras
ventajas tales como el retorno de cualquier material o restos
flotantes a la zona de mezcla anóxica. La tasa de bombeo (o tasa de
entremezclado) deberá ser al menos dos veces la tasa media diaria de
introducción de aguas residuales influentes 100 en la zona de
mezcla anóxica de equilibrio y, preferiblemente, será al menos 5
veces la tasa media diaria de introducción de aguas residuales
influentes 100 en la zona 102.
Se apreciará que en la zona de mezcla anóxica de
equilibrio, los componentes de las aguas residuales influentes, que
incluyen componentes orgánicos que constituyen la DBO, son
consumidos parcialmente por los microorganismos del licor mixto que
usa nitratos y nitritos producidos en la zona aireada de reacción
por cargas que se transfieren, y se mezclan, desde la zona aireada
104 a la zona 102. Además, los componentes de nitratos y nitritos se
reducen a nitrógeno gaseoso, y se separan por ello de las aguas
residuales. La zona de mezcla anóxica tiene un gradiente de
reacción de DBO relativamente alta y bajo oxígeno disuelto, lo que
facilita la desnitrificación, mientras que la zona aeróbica de
tratamiento tienen un gradiente de reacción de DBO relativamente
baja, y alto oxígeno disuelto, lo que resulta más óptimo para la
nitrificación junto con la separación de la DBO. Por consiguiente,
durante la fase de interacción, los componentes de las aguas
residuales se oxidan también rápidamente en la zona aireada 104 de
reacción por cargas, que produce también nitratos y nitritos en el
licor mixto para su utilización (a medida que se separa el N_{2})
en la zona de mezcla anóxica de equilibrio. La fase de interacción
constituirá, normalmente, desde aproximadamente el 20% hasta
aproximadamente el 80% del tiempo total del ciclo del proceso de
reacción por cargas secuenciadas.
Los sólidos residuales (lodos) se pueden separar
de la zona anóxica durante la fase de interacción del ciclo de
tratamiento, o se pueden introducir en una zona anaeróbica de
pretratamiento, como anteriormente se discutió, para su digestión y
posterior reintroducción en la zona de mezcla anóxica, con el fin de
facilitar la reducción total de los sólidos y/o separar el fósforo.
El licor mixto de la zona anóxica se puede mezclar de forma continua
o intermitentemente en la zona anóxica durante la fase de
interacción, de una forma apropiada, como por ejemplo mediante
bombas accionadas por chorro o mediante el reciclaje de la zona
aeróbica, pero generalmente no se aireará (excepto en
circunstancias inusuales como por ejemplo condiciones de flujo del
influente que exceda las condiciones diseñadas para el sistema). La
velocidad a la que el licor mixto procedente de la zona anóxica se
introduce en la zona RCS será, deseablemente, al menos 2 y,
preferiblemente, al menos 3 veces el caudal medio del influente de
las aguas residuales influentes 102, y en realizaciones muy eficaces
será de al menos 5 veces el caudal de las aguas residuales
influentes. A este respecto, la capacidad de bombeo excederá mejor
el caudal máximo de diseño del influente que, normalmente, puede ser
de aproximadamente 2 a 4 veces el caudal medio influente, para
sistemas de tratamiento de aguas residuales municipales.
El licor mixto en la zona 104 de RCS se airea
continuamente, o intermitentemente, y se mezcla dentro de la zona
104 de tratamiento, con el fin de promover eficazmente y
efectivamente la biooxidación de las aguas residuales en la zona.
La aireación continua y la mezcla producida por los aireadores
accionados a chorro, como por ejemplo los aireadores a chorro F2JA
fabricados por Fluidyne Corporation, que tienen una eficacia de
transferencia de oxigenación de al menos el 20%, son eficaces para
mezclar y airear de una manera energéticamente eficaz. En sistemas
en los que la progresión de la fase de tratamiento se determina
mediante las condiciones de los niveles de agua, la fase de
interacción puede extenderse desde el momento en que se llena la
zona aeróbica 104 de aireación por cargas secuenciadas (RCS) (y
rebosa volviendo a la zona anóxica 102), hasta que el nivel del
licor en la zona anóxica alcanza un punto establecido como nivel de
agua de control, o un nivel intermedio si utiliza la fase opcional
de reacción de aireación. Como alternativa, se puede usar un sistema
de control del tratamiento cronometrado y/o sensores de nitrato y
de oxígeno, para controlar la duración de la fase de
interacción.
Según se indicó, a continuación de la fase de
interacción, se lleva a cabo o bien una fase opcional de reacción
de aireación, o una fase de clarificación. Una fase de reacción de
aireación, incluso de duración relativamente corta, puede ser
deseable para asegurar que al menos la mayoría de los componentes
fácilmente biooxidables de las aguas residuales, en particular
aquellos que se habían introducido muy recientemente procedentes de
la zona anóxica de tratamiento, han sido tratados en la zona de RCS
durante un periodo de tiempo adecuado sin la introducción de
"nuevas" aguas residuales procedentes de la zona anóxica.
Durante la fase de reacción de aireación RCS, las aguas residuales
influentes continúan para ser introducidas en la zona anóxica, lo
que sirve como regulador del volumen a medida que se llena. La zona
anóxica se puede mezclar o agitar, pero las aguas residuales
generalmente no se introducen en cantidades significativas desde la
zona anóxica 102 a la zona 104 de RCS durante la fase opcional de
reacción, si se utiliza semejante fase.
A continuación de la fase de reacción, o de la
fase de interacción si no se utiliza la fase de reacción, se lleva
a cabo una etapa de clarificación en la que la mezcla y la aireación
en la zona 104 de RCS se paran, de forma que llega a estar en
reposo para la sedimentación de cultivos de tratamiento
microbiológicos con el fin de proporcionar una capa superior
clarificada. El tiempo para conseguir la clarificación efectiva
será, normalmente, de aproximadamente 45 minutos. Hay que indicar
que durante la fase de clarificación en la zona 104 de RCS, las
aguas residuales influentes 100, pueden continuar para ser
introducida en la zona anóxica 102 de tratamiento, elevando el
nivel del líquido en la zona 102. La fase de clarificación y
sedimentación continúa durante una cantidad de tiempo determinada,
suficiente para permitir que los sólidos biológicos sedimenten
bien, por debajo del nivel inferior de agua conseguido en la zona
104 de RCS después de decantar.
A este respecto, después de que el licor mixto
en la zona 104 de RCS haya sedimentado para proporcionar una zona
superior 106 clarificada y una zona inferior 108 de lodos, la
tratada, se separa el efluente clarificado en la zona 106,
preferiblemente a un nivel predeterminado, sin volverse a mezclar
sustancialmente los lodos sedimentados. Se pueden usar sistemas de
decantación, como por ejemplo los fijos, sistemas de decantación
con decantador que excluye los sólidos (DES) que operan al aire,
descritos en la Patente de EE.UU. Nº 4.596.658, y fabricado por
Fluidyne Corporation, para decantar el agua superficial sin una
sustancial turbulencia. Normalmente, al menos aproximadamente el
15% del agua en la zona de RCS se decantará en la fase de separación
del efluente. Durante la fase de separación del efluente, las aguas
residuales influentes puede continuar para ser introducidas en la
zona 102 de mezcla anóxica, elevando el nivel de agua hasta su
altura máxima. Sin el licor mixto que contienen entremezclas de
nitrato, procedente de la zona de RCS, el licor mixto en la zona 102
puede hacerse anaeróbico si se deja demasiado tiempo y, por
consiguiente, se puede mezclar o airear moderadamente si resulta
apropiado.
A continuación de la fase de separación del
efluente (decantación), el ciclo de tratamiento se repite. La zona
aeróbica 104 de RCS se llena en una fase de llenado, bombeando licor
mixto desde la zona 102 de mezcla anóxica llena a la zona 104 de
RCS, que está a su nivel bajo de agua, que sigue a la separación del
efluente clarificado, y se repiten las etapas restantes.
Estos sistemas de reactores por cargas
secuenciadas, de diseño de interacción de mezcla anóxica de
equilibrio, que tiene una cámara de mezcla anóxica que interacciona
con una cámara de aireación por cargas secuenciadas y decantación,
puede proporcionar significativas ventajas sobre los reactores por
cargas secuenciadas convencionales que tienen una única cámara de
tratamiento de aireación por cargas secuenciadas y decantación. La
siguiente comparación de diseño calculado de un sistema
convencional de reactores por cargas secuenciadas y un sistema de
reactores de cargas secuenciadas de diseño de interacción de mezcla
anóxica de equilibrio, ilustra algunas de las ventajas potenciales.
La comparación muestra un volumen total del depósito reducido al 71%
del volumen del RCS convencional (1,08 mg frente a 0,77 mg), y los
requisitos de potencia de operación se reducen de 41.759 W a 32.811
W:
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\vskip1.000000\baselineskip
Como se discutió en relación con la realización
de los métodos de tratamiento ilustrados en la Figura 1, hay poca,
o no hay ninguna, interacción entre las aguas residuales y los
cultivos de tratamiento microbiano en la zona de mezcla anóxica de
equilibrio, y la zona RCS durante la fase de clarificación y la fase
opcional de reacción del ciclo de tratamiento. Por eso, la
introducción de componentes de nitratos/nitritos que sirven como
fuentes de energía de oxidación, es cíclica respecto a la zona de
mezcla anóxica en los métodos de la Figura 1. Dependiendo de
factores tales como la cantidad relativa de DBO y del nitrógeno que
se va a separar de las aguas residuales influentes, y de los
volúmenes de almacenamiento apropiados para acomodar las aguas
residuales influentes durante las diversas etapas de tratamiento
secuenciadas, puede ser deseable proporcionar más interacción
continua entre la zona de mezcla anóxica de equilibrio y una zona
aireada de RCS. A este respecto, en la Figura 2 se ilustra
esquemáticamente una realización alternativa de un método de
tratamiento de aguas residuales similar a la de la Figura 1, pero
en la que una zona 202 de mezcla anóxica de equilibrio interacciona
con una pluralidad de (en este caso, dos) zonas 104, 106, aireadas
de reacción por cargas secuenciadas, que tienen ciclos de
tratamiento escalonados, de forma que las fases de llenado y de
aireación de una zona de aireación corresponden a las fases de
sedimentación y decantación de la otra zona de aireación. Como se
muestra en la Figura 2, la zona 202 de mezcla anóxica de equilibrio
tiene un doble ciclo que se alterna entre las dos zonas 204, 206 de
RCS, de forma que se esté llenando sustancialmente de forma continua
y/o interactuando con al menos una de las zonas 204, 206 de RCS,
durante las fases de reposo y decantación de la otra. El tamaño de
las zonas de tratamiento, anóxica frente a la aeróbica, es una
función del tratamiento de la reacción mediante la cinética, así
como mediante los requisitos hidráulicos. Las consideraciones
hidráulicas de la alimentación de las dos zonas de tratamiento
aeróbico con una zona de mezcla anóxica de equilibrio, permite una
zona anóxica más pequeña para la relación de volumen de la zona
aeróbica total o, a la inversa, menos descenso de nivel en la zona
de mezcla anóxica de equilibrio para la misma relación de volumen.
Normalmente, la biocinética se usará para calcular las dimensiones
del depósito, que se pueden luego ajustar a los requisitos
hidráulicos del flujo influente.
Como se muestra en la Figura 2, el
"primero" de los ciclos de mezcla anóxica de equilibrio se
inicia con una de las zonas 204 de RCS. Luego, durante la fase de
reacción (opcional), la fase de clarificación y la fase de
separación del efluente de la zona 204 de tratamiento RCS, durante
las cuales no hay una sustancial interacción entre la zona 202 de
mezcla anóxica de equilibrio y la zona 204 de RCS, se inicia un
"segundo" ciclo de interacción entre la zona 202 de mezcla
anóxica de equilibrio y la segunda zona 206 de RCS. Como se
apreciará por la Figura 2, compensando los ciclos de las dos zonas
de aireación y de decantación, se puede utilizar más eficazmente la
zona de mezcla anóxica de equilibrio. Semejante método puede
proporcionar una incrementada eficacia biológica en la zona de
mezcla anóxica de equilibrio, y mejoras de los costes relacionadas
con las mejoras en la utilización del volumen total de
almacenamiento debido a que se puede necesitar menos capacidad de
almacenamiento de la mezcla anóxica de equilibrio para acomodarse a
un flujo influente continuo de aguas residuales, para un ciclo de
RCS dado. Las ventajas de operación incluyen menos descenso del
nivel de la mezcla anóxica, más regularidad en el retorno del
NO_{3}, y la mezcla sin mezcladores auxiliares, y mejor
manipulación del flujo hidráulico máximo. Los inconvenientes
incluyen redundancia y rechazo, Concretamente, en vista de la alta
capacidad de los métodos de doble alimentación y sistemas de
tratamiento como los de la Figura 2, y concretamente en condiciones
de bajo flujo del influente, puede haber un periodo de tiempo de
"parada" a continuación a la etapa de decantación en las
respectivas zonas aeróbicas, antes de que haya suficiente influente
para constituir una nueva etapa completa.
Como se indicó anteriormente, la presente
invención también está dirigida a reactores por cargas secuenciadas
multi-cámaras para el tratamiento de aguas
residuales, que están diseñados para utilizar depósitos aeróbicos
de reacción por cargas, aireados y anóxicos, que interaccionan.
Estos sistemas de RCS comprenden un depósito anóxico de reacción
que tiene una entrada para introducir las aguas residuales que van a
ser tratadas en el depósito anóxico de reacción, un depósito
aeróbico de reacción por cargas secuenciadas (RCS) para recibir las
aguas residuales procedentes del depósito anóxico de reacción y para
airear y mezclar secuencialmente las aguas residuales y
microorganismos de tratamiento de aguas residuales, sedimentar las
aguas residuales y retirar el agua clarificada desde la parte
superior del depósito aeróbico de reacción y para introducir aguas
residuales del depósito aeróbico de reacción en el depósito de
tratamiento de mezcla anóxica.
El sistema de reacción por cargas secuenciadas,
incluirá, deseablemente, una bomba para transferir aguas residuales
desde el depósito de mezcla anóxica al depósito aeróbico de reacción
por cargas secuenciadas, que tiene una capacidad de bombeo de al
menos aproximadamente 0,2 y, preferiblemente, de aproximadamente 0,5
a 5 veces el volumen del depósito de mezcla anóxica, por hora, y un
vertedero de superficie pasivo a un nivel superior del líquido
predeterminado o ajustable, en el depósito aeróbico de reacción,
para introducir aguas residuales desde el depósito aeróbico de
reacción al depósito anóxico de reacción. El sistema puede incluir
un sistema de control del nivel inferior de agua para el depósito
aeróbico de reacción, que inicia un ciclo de llenado del sistema al
accionarse porque el nivel de agua en el depósito aeróbico de RCS
alcanza el nivel inferior de agua (NIA). El sistema de control
opera para que empiece la alimentación y/o para que la bomba
accionada por chorro, bombee desde el depósito de mezcla anóxica de
equilibrio al depósito aeróbico de reacción. Después de que el
depósito de RCS esté lleno y después de un periodo de tiempo
predeterminado (ajustable) tras el llenado, o hasta que se alcance
un punto establecido de oxígeno disuelto, el sistema de control
opera para que continúe para la alimentación del ciclo y/o la bomba
accionada por chorro basada en el tiempo, y/o la DO, y/o los
niveles de NO_{3} en una base continua o intermitente durante la
fase de integración, como se describió anteriormente. El sistema de
control incluye también un sensor del nivel de agua de control (NAC)
en el depósito de mezcla anóxica de equilibrio. El sistema de
control opera de forma que cuando el nivel de aguas residuales del
depósito de de mezcla anóxica de equilibrio alcance NAC, el nivel de
agua de control en el depósito de mezcla anóxica de equilibrio, la
bomba de alimentación y/o la bomba accionada por chorro se paran y
un temporizador para la sedimentación comienza a contar para el
ciclo de clarificación. Después de que el temporizador termina,
empieza la decantación. El nivel del RCS alcanza el nivel de
decantación inferior NIA, comienza la alimentación y/o la bomba
accionada por chorro (o antes la bomba de lodos residuales).
En las Figuras 3-5, se ilustra
una realización 300 de una planta de tratamiento de aguas residuales
municipales con reactor por cargas secuenciadas y mezcla anóxica de
equilibrio, diseñada para una capacidad de tratamiento nominal
máximo de 1,9 a 16,7 Mld. El sistema tiene una relación
relativamente alta de flujo hidráulico máximo respecto al flujo
medio del influente, que demuestra la versatilidad del sistema (hay
que indicar que a flujo máximo, el sistema no opera para producir
NO_{3} por separado). La Figura 3 es una vista en planta del
sistema 300, que tiene dos sistemas de tratamiento 302, 304,
separados y sustancialmente idénticos (fase 1 y fase 2). Las
especificaciones de diseño para el sistema 300 de tratamiento se
exponen en la siguiente Tabla 2 para un caudal medio diario
diseñado, de aguas residuales diarias, con la especificación y
términos definidos por Mandt y colaboradores,
citados anteriormente:
citados anteriormente:
\vskip1.000000\baselineskip
En la operación de la planta 300 de tratamiento,
las aguas residuales influentes 306 se introducen en un depósito
tamizador 308 del influente que contiene un tamiz 310 en espiral, de
diseño convencional, para separar los componentes sólidos de las
aguas residuales. Las aguas residuales tamizadas fluyen a través de
una compuerta 312 de retención, controlada manualmente o
automáticamente, y una compuerta 314 de esclusa, a un depósito 316
interceptor de grasa y arenillas, generalmente anaeróbico, que
incluye un depósito 318 que retiene y espesa los lodos, una trompa
de agua 320 para permitir el control del desarrollo de las
condiciones anaeróbicas, y pantallas 322 del depósito, según una
práctica de diseño convencional. Las aguas residuales procedentes
del depósito 316, interceptor de grasa y arenillas, se introducen en
el depósito 324 de mezcla anóxica de equilibrio a través de un
conducto 326, que dirige las aguas residuales influentes hacia el
fondo del depósito 324 para el control de olores. El depósito 324
de mezcla anóxica de equilibrio también está provisto de una serie
lineal de mezcladores 326, accionados por chorro, para mezclar el
líquido y los cultivos de tratamiento en el depósito. Los
mezcladores por chorro están accionados por un eductor 328 de 11,18
kW que tiene una entrada dentro del depósito 324 de mezcla anóxica
de equilibrio. Las aguas residuales del licor mixto que sufren un
tratamiento en el depósito 324 de mezcla anóxica de equilibrio, se
pueden bombear a uno, o a ambos, de los depósitos 330, 332 de
reacción por cargas secuenciadas. Como mejor se muestra en la Figura
5, que es una vista en corte transversal de un depósito 324 de
mezcla anóxica de equilibrio y el depósito 330 de reacción por
cargas secuenciadas, se utiliza una bomba motriz 332 con una entrada
situada dentro del depósito 324 de mezcla anóxica de equilibrio
para accionar una serie lineal 336 de aireadores a chorro, como por
ejemplo los aireadores a chorro, modelo F2JA de Fluidyne
Corporation situados dentro de del depósito de reacción por cargas
secuenciadas. El aire presurizado se suministra también a los
aireadores a chorro por medio de soplantes 338 (Figura 3) y un
sistema de tuberías 340 apropiado. Los vertederos 342 de retorno del
licor mixto (Figura 3), están también situados con sus entradas a
un nivel superior predeterminado de agua del depósito RCS, que
corresponde a la condición de "llenado" en el depósito 330 de
reacción por cargas secuenciadas. Estos vertederos y conductos de
líquidos residuales para el retorno del licor mixto, desde el
depósito de aireación al depósito de mezcla anóxica, son
importantes al proporcionar interacción entre las aguas residuales
aeróbicas en el depósito RCS 330 y el depósito 324 de mezcla
anóxica de equilibrio, como se describió anteriormente.
El depósito de tratamiento RCS comprende medios
para mezclar los líquidos de las aguas residuales en el depósito, y
para airear los líquidos en el depósito. En la realización
ilustrada, las funciones de mezcla y aireación se llevan a cabo
mediante el aparato 120 de aireación a chorro, que comprende una
bomba 122 de aguas residuales para introducir una corriente
presurizada de aguas residuales extraídas del depósito de mezcla
anóxica, a un colector de aguas residuales del mezclador de
aireación por chorro. El aire presurizado se puede introducir en un
colector de aire presurizado del mezclador de aireación por chorro,
por medio de una soplante, según la práctica convencional. El
líquido y el aire presurizados se pueden combinar y descargar en el
depósito 330 a través de una pluralidad de boquillas, que en la
realización ilustrada están dispuestas regularmente a intervalos
uniformes a lo largo del fluido presurizado y del colector de aire
presurizado. El líquido presurizado, o la corriente de aire y el
líquido presurizado, que se descarga desde las boquillas, se dirige
hacia la pared opuesta del depósito, y pueden ser dirigidos hacia
abajo, en un ligero ángulo, con el fin de hacer un barrido por el
fondo del depósito 102 para mezclar a fondo el depósito.
El depósito de RCS 330 incluye, por
consiguiente, los sólidos que excluyen los decantadores 342, como
por ejemplo el decantador modelo SED18 de Fluidyne Corporation que
tiene una capacidad de 9463 lpm, cada uno, para el efluente tratado
y clarificado que se retira del depósito de RCS a un canal 334 de
descarga del efluente, donde se puede filtrar, desinfectar y
devolver al medio ambiente como una corriente de agua muy
purificada.
El tiempo de retención hidráulica del depósito
de mezcla anóxica de equilibrio, para un tratamiento de aguas
fecales domésticas normales, puede estar, deseablemente, en el
intervalo de aproximadamente 2 horas hasta aproximadamente 8 horas,
mientras que el depósito, o depósitos, aeróbicos de aireación por
cargas secuenciadas puede tener, deseablemente, un tiempo de
retención hidráulica de aproximadamente 4 a aproximadamente 16
horas, con un tiempo de retención hidráulica total (basado en el
caudal medio diario del influente) en el intervalo de
aproximadamente 6 a aproximadamente 24 horas, para el volumen total
del depósito de tratamiento aeróbico y de mezcla anóxica de
equilibrio. Preferiblemente, el TRH será inferior a 20 horas y, más
preferiblemente, inferior a 18 horas, de forma que el volumen total
de almacenamiento puede ser inferior al volumen total del
tratamiento diario que va a ser manipulado en la planta. Por
ejemplo, para un sistema de tratamiento de aguas residuales,
diseñado para tratar 9.084.988 litros de aguas residuales por día,
que tiene un TRH de 16 horas, el volumen de tratamiento de los
depósitos reactores por cargas secuenciadas y de mezcla anóxica de
equilibrio puede tener un volumen de aproximadamente 6.056.659
litros, de forma que el tiempo de retención hidráulica es
aproximadamente de 16 horas. Debido a que los sólidos están
retenidos dentro de la cubeta de tratamiento durante un tiempo de
tratamiento prolongado, el tiempo de retención de los sólidos (TRS)
es sustancialmente mayor que el tiempo de retención hidráulica
(TRH).
Según una práctica convencional en la operación
de los reactores por cargas secuenciales, los lodos sólidos de las
aguas residuales se pueden recuperar periódicamente mediante la
separación, desde el fondo de la cubeta de tratamiento aeróbico y/o
de mezcla anóxica, mediante un sistema adecuado de tuberías (no
mostrado). Además, sin embargo, los sólidos que incluyen
microorganismos de cultivos, se pueden transferir desde los
depósitos de tratamiento, aeróbico y anóxico, a la trampa 316
anaeróbica de detritus para la reducción total de los sólidos, y la
separación incrementada de fosfatos como se describió anteriormente.
Esta recuperación o transferencia desde el depósito de mezcla
anóxica, se puede llevar a cabo en pequeñas cantidades con cada
ciclo de tratamiento, o mayores cantidades a intervalos más
prolongados. Cuando se incrementa la separación de los fosfatos,
transfiriendo sólidos de las aguas residuales a la zona anaeróbica
que se introducen al menos en parte, y posteriormente, en la zona
anóxica, se prefiere separar el lodo con alto contenido de fosfatos
desde la zona anóxica o aeróbica, en vez de en la zona
anaeróbica.
Al final de la descarga del reactor 330 por
cargas secuenciadas, se dispone de un sistema 300 de decantación,
que excluye los sólidos del colector de descarga sumergido según se
describe en la Patente de EE.UU. Nº 4.596.658, que se utiliza para
separar periódicamente, de la cubeta 330 de tratamiento, una
cantidad predeterminada de agua clarificada.
En operación, a medida que el depósito de mezcla
anóxica de equilibrio alcanza el nivel de agua de control (CWL),
las aguas residuales procedentes del depósito de mezcla anóxica se
bombean para llenar el RCS1, y continúan hasta el sobrellenado
(interacción), mientras que la bomba de alimentación, de
funcionamiento cíclico, basada en el tiempo y/o la DO, y/o los
niveles de NO_{3} en los depósitos de RCS y de mezcla anóxica,
continúa hasta que se alcanza de nuevo el nivel de agua de control
NAC del depósito de mezcla anóxica.
Entonces se para la alimentación a RCS1, y el
contador de tiempo de sedimentación para RCS se pone en marcha
mientras que el RCS1 se mantiene en estado de reposo para la
clarificación de la zona superior de decantación. Se comienza la
alimentación procedente del depósito de mezcla anóxica de equilibrio
y continúa como se describió anteriormente para RCS1.
Cuando el contador de tiempo de la sedimentación
para CRS1 se interrumpe, se inicia el ciclo de decantación para
RCS1 hasta que se alcanza el NIA del RCS1. Cuando se alcanza de
nuevo el NAC en el depósito de mezcla anóxica de equilibrio, se
repite el ciclo.
En las Figuras 6 y 7 se ilustra una realización
600 adicional de un sistema de tratamiento de aguas residuales con
reactores por cargas secuenciadas y mezcla anóxica de equilibrio,
relativamente compacta, para un flujo de aguas residuales
relativamente pequeño, por ejemplo para una zona residencial con una
población de 200 a 500 personas, o un pequeño complejo industria y
de oficinas. Las especificaciones de diseño y los cálculos para el
sistema 600 de tratamiento se exponen en la siguiente Tabla 3:
En el sistema 600 de tratamiento, las aguas
residuales influentes que se van a tratar se introducen en el
depósito 602 trampa de detritus, que generalmente está en condición
anaeróbica con organismos anaerobios favorecedores que predominan
en el depósito 602. El influente fluye desde el depósito 602 trampa
al depósito 604 de mezcla anóxica, que tiene un volumen nominal
(lleno) de 75.708 litros, que contiene dos bombas motrices 606 de
7,46 kW cada una, con una entrada de fluidos cerca del fondo del
depósito 604. La salida de cada bomba motriz se dirige a través del
conducto 608 a un aireador 610 de aspiración con chorro (Fluidyne
Corporation, modelo FJASQ4) que está dirigido al depósito 612 de
aireación de la reacción por cargas secuenciadas, que tiene un
volumen nominal (lleno) de 132.489 litros. El depósito de aireación
tiene también un montaje 616 de vertedero de superficie que drena
el licor mixto en el nivel superior de agua (en esta caso 3,2 m) de
vuelta al depósito de mezcla anóxica, como se muestra muy
claramente en la Figura 7. La zona de aireación del RCS incluye
también un sistema 618 de decantación como el decantador Fluidyne
SED6, que está adaptado para separar una porción predeterminada de
una capa superior clarificada, y que se separa de la zona de
tratamiento mediante la retirada de agua clarificada a través de un
orificio de decantación que está orientado horizontalmente a lo
largo de su longitud en la zona de tratamiento. El decantador 618
funciona, cuando opera, para drenar el depósito de aireación desde
su nivel superior de agua de 3,2 metros, a su nivel inferior de agua
de aproximadamente 2,6 metros.
La etapa de decantación se puede controlar
abriendo o cerrando una única válvula en el decantador 618, y
permitiendo que la presión hidráulica fuerce al líquido clarificado
a través del orificio de decantación extendido horizontalmente. La
etapa de decantación se puede iniciar separando el aire de la zona
trampa del fluido para estabilizar una columna continua de líquido
en la zona de trampa hidráulica. El desagüe 618 del decantador
tratado, esta dirigido a una cámara 620 de descarga del efluente,
desde el que se puede además filtrar, desinfectar y descargar al
medio ambiente.
Como también se indicó, diversos aspectos del
aparato de de la presente invención comprenden un depósito de
reacción por cargas secuenciadas, y medios de entrada al depósito
para introducir en el depósito las aguas residuales que van a ser
tratadas, junto con medios de decantación extendidos horizontalmente
para retirar líquido del depósito, situados dentro del depósito a
una altura predeterminada que corresponde sustancialmente a una
altura mínima predeterminada de decantación del nivel de agua.
Los depósitos de aireación y de otros
tratamientos biológicos, que incluyen sistemas continuos, reactores
por cargas secuenciadas, y sistemas de tratamiento de mezcla anóxica
de equilibrio, como los de las Figuras 1-7, pueden
tener problemas de acumulación de espumas y materia flotante sobre
la superficie de los contenidos de los depósitos. La espuma está
normalmente presente al ponerse en marcha el proceso biológico.
Durante la aireación, los agentes tensioactivos contenidos en las
aguas residuales influentes producirán espuma hasta un crecimiento
bacteriano suficiente, y la actividad biológica degrade los agentes
tensioactivos hasta un grado suficiente para suprimir la generación
de espuma. A medida que las bacterias de tratamiento crecen y
envejecen, se puede acumular materia flotante sobre la superficie
del agua del depósito. Esta materia flotante consiste en bacterias
y otros crecimientos biológicos, como por ejemplo nacardia y otros
antinomicetos u hongos. A la materia flotante se pueden incorporar
otros materiales flotantes, como por ejemplo plásticos y papel. La
materia flotante es desagradable y puede ser una fuente de olores.
La materia flotante puede interferir también con la operación
apropiada del equipo mecánico como por ejemplo decantadores,
clarificadores, y depósitos y equipos para el tratamiento y soporte
de lodos.
Aunque hay una diversidad de desnatadoras para
la materia flotante que se pueden conseguir comercialmente o
hacerse a medida, no se han mostrado totalmente eficaces al separar
la materia flotante. Esto es especialmente cierto en los depósitos
de aireación donde las desnatadoras para materia flotante,
normalmente, separan únicamente la materia la flotante de un área
limitada de la superficie, en cualquier momento, lo que implica una
separación limitada de las aguas residuales con la materia
flotante, y se ven afectados por el viento y la acción del
oleaje.
Ciertos aspectos de los sistemas preferidos
según la presente invención, están dirigidos a una separación más
completa y eficaz de la materia flotante. La Figura 8 ilustra
esquemáticamente un montaje 802 de un vertedero apropiado,
dispuesto para controlar el flujo entre una zona 806 de tratamiento
aeróbico y una zona anóxica 804 de tratamiento de un sistema de
tratamiento de mezcla anóxica, como se muestra en las Figuras
1-7. En la Figura 8 se muestran vistas esquemáticas
de una fase de interacción de un ciclo de tratamiento (en el que el
fluido se introduce desde la zona 804 de mezcla anóxica a la zona
806 de tratamiento aeróbico, mientras que el fluido rebosa desde la
zona 806 de vuelta a la zona 804), y una fase de decantación de un
ciclo de tratamiento (en el que el fluido procedente de la zona 804
de mezcla anóxica, se introduce en la zona 806 de tratamiento
aeróbico en reposos, sin mezcla sustancial). Como se indica en la
Figura 8, junto con las Figuras 9, 10A y 10 B, rebosando el
contenido del depósito a través de un controlador multiusos 802 de
la materia flotante, se pueden separar del depósito, de forma
eficaz, la materia flotante y la espuma, y se pueden concentrar en
otro depósito. Mediante una disposición de vertederos como los
descritos en las Figuras 9-10, se puede provocar
que el agua emergente rebose por el vertedero, a una velocidad
sustancial, llevando materia flotante y otros materiales que pueden
flotar a un depósito de retención, o a una zona "aguas arriba"
del proceso de tratamiento. Si se dirige a una zona de tratamiento
aguas arriba, la materia flotante será sometida a un tratamiento
biológico adicional. Si se dirige a un depósito de retención, por
separado, la materia flotante se descompone bajo una biodegradación
a largo plazo, que elimina el tratamiento adicional de la materia
flotante. El material no biológico o inerte incorporado con, o
desnatado con, la materia flotante, se puede entonces separar
fácilmente de cualquier manera apropiada, como por ejemplo mediante
sistemas de succión o drenaje adecuados. La carga hidráulica
disponible a partir del contenido del depósito que rebosa, se puede
usar para mezclar el depósito de concentración y el de retención.
Se puede usar también un conjunto similar de vertederos de
superficie para contener y propagar el alto flujo que pasa a través
de la combinación de depósitos. El flujo abandona el depósito de
retención por debajo de la capa de materia flotante, en modo de
flujo inverso, y entra en el depósito desnatado a través de una
carcasa de difusión para no alterar el depósito durante las
operaciones de sedimentación y decantación.
En la Figura 9 se muestra un montaje 802 de
vertederos, que sirve como mecanismo de transferencia del fluido
entre una zona 902 de tratamiento aeróbico y una zona anóxica 904 de
tratamiento, separadas por una pared 906. El montaje 802 de
vertederos comprende una pantalla del flujo, consistente en una
primera pantalla 810 que es paralela al depósito 906, dos pantallas
812, 814 laterales externas, que unen la pantalla paralela 810 a la
pared 906, una pantalla interna del flujo consistente en dos
pantallas 820, 822 y 824 que forman un recinto interno en forma de
U, y un conducto 826 que se extiende desde el fondo del recinto en
forma de U, hacia abajo, y a través de la pared 906 del depósito
desde la zona 902 a la zona 904. Durante fase de sedimentación y
decantación del ciclo de tratamiento secuencial, es importante que
la introducción del fluido desde la zona o depósito de mezcla
anóxica, o desde cualquier otra fuente, se haga sin alterar el
efluente sedimentado, ni se "cortocircuite" la corriente de
salida del efluente. A este respecto, generalmente, no es deseable
introducir fluido desde una zona de mezcla anóxica a la zona de
aireación durante la sedimentación y la porción de decantación del
ciclo de tratamiento. Sin embargo, durante condiciones de alto flujo
del influente, se puede exceder la capacidad de tratamiento del
sistema y, por consiguiente, puede ser necesario pasar algo de las
aguas residuales, parcialmente tratadas en la zona anóxica, a la
zona de aireación durante la fase de sedimentación y decantación.
Como se muestra en la Figura 10A, el aparato 802 vertedero lleva a
cabo, de forma eficaz, la desviación y difusión del flujo bajo
circunstancias en las que se puede introducir el flujo desde el
deposito de mezcla anóxica a la zona de aireación, donde está
teniendo lugar la sedimentación y decantación. Como se muestra en
la Figura 10A, cuando el nivel hidráulico en la zona de mezcla
anóxica excede la parte superior de las planchas 820, 810, 824, que
forman las pantallas, el flujo introducido mediante esta carga
hidráulica pasa a la zona protegida formada por las planchas 812,
810, 814, que forman las pantallas, que rodean la pantalla interna
y el conducto 826. El fluido residual se introduce así en la zona de
aireación con un ligero momento hacia abajo, a la zona inferior de
sedimentación que contiene los sólidos sedimentados y bacterias, y
lejos de la parte superior, la zona clarificada de la que se separa
el efluente clarificado y tratado. De esta manera, se evita el
cortocircuito del influente y/o del contenido del depósito de mezcla
anóxica. Se proporciona apantallamiento, calma y dirección del
flujo, y el influente se difunde hacia los lodos sedimentados para
intensificar el tratamiento a flujos elevados. De nuevo, haciendo
referencia a los sistemas de tratamiento de mezcla anóxica de
equilibrio, como los ilustrados en las Figuras 1-7,
durante la fase de interacción del ciclo de tratamiento, el aparato
802 vertedero realiza el desnatado de la materia flotante y las
funciones de reciclado del licor mixto, como se describió
anteriormente. A este respecto, durante la fase de interacción, el
líquido residual procedente de la zona anóxica se introduce en la
zona de aireación hasta que el nivel hidráulico en la zona de
aireación alcance el nivel superior del vertedero 802. Esto viene
acompañado de la disminución concomitante del nivel hidráulico en
la zona de mezcla anóxica (después también se justifica para las
aguas residuales influentes). Como se muestra en la Figura 10B,
cuando el nivel hidráulico en el depósito de aireación alcanza la
parte superior del vertedero formado por las pantallas 820, 810,
824, las aguas residuales en la superficie de la zona aeróbica
adyacente al vertedero, que incluyen cualquier materia flotante y/o
espuma, se transfieren al conducto 826, a través de la pared 906, y
a la zona de mezcla anóxica adyacente. Como las aguas residuales
continúan para ser bombeadas a la zona de aireación (mediante una
bomba por separado, como anteriormente se describió), el líquido
superficial, y cualquier materia flotante circundante, los restos
superficiales y/o espuma, continúan para ser transferidos a la zona
de mezcla anóxica aguas arriba, para que continúe el
tratamiento.
Como se indicó, la presente descripción también
está dirigida a sistemas integrados de tratamiento de aguas que
tienen reducidos niveles de producción de lodos, y/o sistemas
independientes o "aislados" en los que los lodos del
tratamiento biológico de las aguas residuales se tratan para reducir
su volumen y su masa, que incluye particularmente su contenido
orgánico. Por eso, las capacidades de reducción de lodos, aquí
descritas, se pueden integrar en el diseño de los sistemas de
tratamiento de aguas residuales con reactor por cargas secuenciadas
y mezcla anóxica de equilibrio, anteriormente descritos. En tales
sistemas, las aguas residuales influentes que van a ser tratadas,
se introducen en una zona anaeróbica de tratamiento, donde al menos
una porción de los sólidos totales en suspensión, de las aguas
residuales influentes, se sedimentan en una zona de sólidos
sedimentados anaeróbicos, en la porción inferior de la zona
anaeróbica de tratamiento. El líquido residual procedente de las
zonas anóxica y/o aireada de tratamiento que contienen lodos
microbianos producidos por los procesos de tratamiento anóxico y
aeróbico, se recicla a la zona anaeróbica de tratamiento, en la que
al menos el 50 por ciento en peso de los lodos microbianos y otros
contenidos de sólidos (STS) del licor residual reciclado a la zona
anaeróbica, sedimentan en la zona de sólidos sedimentados
anaeróbicos, en la porción inferior de la zona anaeróbica de
tratamiento, junto con los sólidos sedimentados de las aguas
residuales influentes. Bajo las condiciones de digestión
anaeróbica, la mezcla sedimentada de los sólidos influentes en bruto
y los sólidos de los lodos microbianos reciclados, se digieren
anaeróbicamente. Normalmente, al menos aproximadamente el 50 por
ciento en peso de los sólidos orgánicos del influente y los sólidos
microbianos reciclados que sedimentan en la zona de sólidos
sedimentados se digieren biológicamente y anaeróbicamente para
producir sólidos digeridos anaeróbicamente, componentes solubles y
gaseosos en la zona anaeróbica de tratamiento. Las aguas residuales
procedentes de la zona anaeróbica de tratamiento, que incluye tanto
aguas residuales influentes como aguas residuales del licor
residual reciclado, son conducidas desde la zona anaeróbica a la
zona anóxica, y llevan con ellas los componentes solubles de la
digestión anaeróbica para el biotratamiento anóxico en la zona
anóxica, y el biotratamiento aeróbico en la zona aeróbica de
tratamiento. De forma similar, se pueden proporcionar sistemas
independientes para el tratamiento de lodos procedentes de los
sistemas de tratamientos de lodos o de biotratamientos
independientes, como por ejemplo digestores aeróbicos o anaeróbicos,
o sistemas de lodos activados, con el fin de reducir la cantidad de
lodos, procedentes de estos digestores o de otra fuente de lodos,
que hay que deshacerse de ellos mediante un vertedero o mediante
procedimientos de tratamiento a largo plazo. Como ejemplos de estos
sistemas integrados de reducción de lodos, ilustrados en las Figuras
11-14, están los sistemas que integran procesos
anaeróbicos, anóxicos y aeróbicos para el tratamiento de aguas
fecales sin depurar y/o para la gestión, reducción y consumo o
destrucción de los lodos. Estos sistemas serán capaces de reducir
la cantidad de lodos orgánicos para su eliminación final en un 80%,
o más, en peso, comparado con los lodos producidos en ausencia de
estas características. A este respecto, la cantidad de lodos
orgánicos producidos convencionalmente antes de la digestión
aeróbica o anaeróbica, será normalmente de aproximadamente 0,4 a
aproximadamente 0,8 gramos por gramo de DBO5 en las aguas residuales
influentes que va a se tratadas. El sistema de la presente
descripción, que utiliza el reciclaje de los anaeróbicos/aeróbicos,
reducirá preferiblemente la cantidad de lodos orgánicos producidos
por el sistema a menos de aproximadamente 0,2 gramos de lodos
orgánicos por gramo de DBO5 del influente y, preferiblemente, a
menos de aproximadamente 0,1 gramos de lodos orgánicos por gramo de
DBO5.
En sistemas como los ilustrados en las Figuras
11-14, se introducen aguas fecales sin depurar o
pretratadas en una primera zona anaeróbica, que puede corresponder
a la zona 316 trampa del sistema de la Figura 3, o a la zona 602
trampa del sistema de la Figura 6. La zona anaeróbica no se mezcla,
o se mezcla ligeramente, de forma que los sólidos inorgánicos y los
orgánicos de sedimentación rápida, sedimenten en el fondo de la
zona, y se concentren en el fondo de la zona. Los sólidos orgánicos
sedimentados y no sedimentados sufren una digestión anaeróbica, que
consume componentes orgánicos y que produce productos de digestión
anaeróbica, como por ejemplo dióxido de carbono, metano, amoníaco,
sulfuro de hidrógeno y productos intermedios orgánicos o productos
de descomposición. Muchos de estos productos de digestión anaeróbica
son solubles y pasan con la fase líquida a la siguiente zona
anóxica/aeróbica y, posteriormente, a un tratamiento microbiano bajo
las respectivas condiciones anóxica y aeróbica, según se describió
anteriormente. Algunos de los subproductos se volatilizan y pasan a
la fase gaseosa. Los gases malolientes se pueden tratar para
controlar el olor según se requiera (véase la Figura 14 que muestra
un depósito de tratamiento anaeróbico cubierto, según la práctica
convencional, como por ejemplo mediante el paso o filtración a
través de un absorbente básico. La tasa de carga superficial de la
zona anaeróbica es, preferiblemente, de aproximadamente 40
m^{3}/m^{2}/día. La tasa de carga orgánica es, preferiblemente,
de aproximadamente 1 a 5 kg/m^{3}/día.
El flujo de aguas residuales que pasa a través
de la zona anaeróbica, lleva sólidos, sustancias orgánicas, y
compuestos que contienen nitrógeno, a un tratamiento posterior en
las zonas anóxica y aeróbica, como las descritas anteriormente, y
según se muestra en las Figuras 11B y 12. Los lodos residuales
producidos en las zonas anóxica y/o aeróbica se reciclan a la zona
anaeróbica para una digestión adicional. Los sólidos orgánicos de
la zona anaeróbica se degradan continuamente y se consumen como se
describió anteriormente, se lavan de sustancias orgánicas o de
elutriados mediante el flujo a través de la zona anaeróbica, dejando
los sólidos inorgánicos más pesados en la zona anaeróbica. Los
sólidos inorgánicos pesados se concentran en el fondo de la zona
anaeróbica con las sustancias orgánicas biológicamente más inertes,
donde continuarán para ser degradadas lentamente mediante procesos
anaerobios, y que se puedan separar periódicamente. Sin embargo, a
diferencia de la digestión aeróbica pura, es posible una
concentración más alta de sólidos mediante el uso de sistemas según
la presente descripción. A una reducción de los SVS del 80% y una
concentración residual de sólidos del 5%, únicamente se dejan 7.571
litros de sólidos residuales por día para su eliminación del
ejemplo, discutido anteriormente, de una hipotética planta de 3,8
Mld. Estas cantidades corresponden, únicamente, a aproximadamente
el 0,2% del flujo de influentes. En la Figura 11A se ilustra un
típico balance de sólidos para un tratamiento de aguas residuales
"convencional". Como se muestra en la Figura 11A, las aguas
residuales 1102 influentes que comprenden el 0,02 por ciento en
peso de sólidos totales en suspensión (STS), de los cuales
aproximadamente el 85% de los sólidos totales en suspensión pueden
ser, normalmente, sólidos volátiles en suspensión (SVS). El 15 por
ciento restante de los sólidos totales en suspensión son compuestos
inorgánicos no biodegradables u otros sólidos en suspensión fijos
(SSF). Las aguas residuales 1102 influentes se tratan mediante un
sistema 1104 de biotratamiento para producir el efluente 1106
tratado, en el que los sólidos totales en suspensión se reducen a
aproximadamente el 0,002 por ciento en peso, que es,
sustancialmente, el 100 por cien de sólidos volátiles en suspensión
(SVS). A este respecto, sustancialmente la totalidad de sólidos
inorgánicos inertes o de lo contrario en suspensión fijos (SSF), se
separan de la corriente 1106 efluente tratada mediante un
biotratamiento convencional. El sistema 1104 de biotratamiento
produce también una corriente 1108 de lodos residuales que pueden
comprender, normalmente, aproximadamente 0,2 a aproximadamente 1 por
ciento de los sólidos totales en suspensión, de los cuales
aproximadamente el 70 por ciento en peso es de sólidos volátiles en
suspensión, y el 30 por ciento restante son los sólidos inorgánicos
inertes en suspensión fijos de la corriente 1102 de aguas
residuales influentes. Normalmente, la corriente residual del
biotratamiento es sometida a digestión aeróbica en un digestor 1110
aeróbico para reducir más el contenido de sólidos volátiles en
suspensión y de agentes patógenos. La corriente 1112 de lodos
procedente del digestor aeróbico tendrá, normalmente, un contenido
total de sólidos en suspensión relativamente más alto, de
aproximadamente 2 por ciento en peso, de los cuales aproximadamente
el 60 por ciento son todavía sólidos volátiles en suspensión, no
digeridos, siendo el 40 por ciento restante el contenido de los
sólidos en suspensión fijos de la corriente 1102 del influente
original. La corriente 1112 de lodos procedente del digestor 1110
aeróbico se deshidratará convencionalmente mediante centrifugación
u otro sistema 1114 de deshidratación adecuado, para producir una
torta 1116 de lodos que contiene aproximadamente
15-20 por ciento de sólidos totales, de los cuales
aproximadamente el 60 por ciento en peso permanece como contenido
de sólidos volátiles en suspensión. Esta torta 1116 de lodos
requiere la eliminación y/o el tratamiento posterior, como se
describió anteriormente. La corriente 1118 de agua, separada
mediante el sistema la deshidratación, se puede reintroducir en el
sistema de biotratamiento, como efluente clarificado procedente del
digestor aeróbico 1110.
Los sistemas de reducción de lodos de la
presente invención pueden proporcionar una considerable reducción
en los sólidos que se producen mediante el sistema de tratamiento de
las aguas residuales, como se ilustra mediante la Figura 11B, que
es típico balance de sólidos para sistemas de reducción de lodos que
utilizan tratamiento anaeróbico, en reciclaje, de los lodos de las
aguas residuales producidos por el biotratamiento de las aguas
residuales influentes. Según se ilustra en la Figura 11B, la
corriente 1103 de aguas residuales influentes comprenderá
normalmente, de forma similar, aproximadamente el 0,02 por ciento en
peso de los sólidos totales en suspensión, de los cuales
aproximadamente el 85 por ciento de estos sólidos totales en
suspensión pueden ser, normalmente, sólidos volátiles en
suspensión. De nuevo, el 15 por ciento restante de los sólidos
totales en suspensión, de la corriente 1103 de aguas residuales
influentes, son componentes inorgánicos inertes, no biodegradables
u otros sólidos en suspensión fijos. En el sistema anaeróbico con
reciclaje, de la Figura 11B, la corriente 1103 de aguas residuales
influentes se introduce en una zona 1105 de tratamiento anaeróbico.
En la zona 1105 anaeróbica, las aguas residuales influentes (y otros
componentes de los lodos introducidos en la zona anaeróbica, como
se describirá de forma más completa) son sometidas a degradación
anaeróbica, que produce componentes volátiles y solubles de bajo
peso molecular, como por ejemplo dióxido de carbono, metano,
amoníaco y sulfuro de hidrógeno, junto con compuestos orgánicos
solubles, como se discutió anteriormente. La corriente 1107 de
aguas residuales que sale de la zona 1105 de tratamiento anaeróbico,
puede comprender normalmente aproximadamente el 0,1 por ciento de
los sólidos totales en suspensión, de los cuales aproximadamente el
95 por ciento es de sólidos volátiles en suspensión, y únicamente el
5 por ciento en peso es de sólidos en suspensión fijos. La
corriente 1107 anaeróbica efluente se introduce en la zona anóxica
1109 de tratamiento, y desde allí a la zona 1111 aeróbica de
tratamiento de un sistema de reactores por cargas secuenciadas, con
mezcla anóxica de equilibrio, como se describió anteriormente.
Debido a la retención de los organismos de tratamiento de aguas
residuales en el sistema de reactores por cargas secuenciadas, las
corrientes 1113 y 1115 de aguas residuales, que se hacen recircular
secuencialmente entre la zona anóxica 1109 de tratamiento y la zona
aeróbica 1111 de tratamiento, comprenden, de forma similar, de
aproximadamente 0,2 a aproximadamente 0,5 por ciento en peso de
sólidos totales en suspensión, aproximadamente el 95 por ciento de
los cuales son sólidos volátiles en suspensión. La corriente 1117
de aguas residuales tratadas, descargadas desde la zona 1111
aeróbica de tratamiento, tiene sólo aproximadamente 0,001 por ciento
de sólidos totales en suspensión, sustancialmente la totalidad de
los cuales es de sólidos volátiles en suspensión. Como se indicó,
los sistemas de reducción de lodos de la presente descripción
utilizan un tratamiento anaeróbico de reciclaje de los lodos
producidos mediante el proceso de tratamiento de aguas residuales. A
este respecto, se conduce una corriente 1119 de aguas residuales
desde el sistema de tratamiento de mezcla anóxica de equilibrio
(desde cada, o desde ambos, depósitos 1109 de mezcla anóxica o
depósito 1111 de tratamiento aeróbico). Habrá que indicar que el
licor de las aguas residuales en la zona aeróbica de tratamiento
tendrá un contenido de sólidos algo más alto después de la etapa de
decantación, la cual produce el efluente clarificado mediante
sedimentación de los sólidos en suspensión. Si la corriente 1119 se
selecciona a partir del sedimento y del líquido restante a la
conclusión de la etapa de decantación, procedente de la zona
aeróbica 1111 de tratamiento, el contenido de sólidos totales en
suspensión puede ser algo más alto, y el volumen de líquido
necesario para transportar este contenido de sólidos puede ser algo
menor. Sin embargo, esto puede requerir una bomba por separado, y
también introducir más licor aeróbico en la zona anaeróbica. Las
realizaciones preferidas del sistema pueden, por consiguiente,
implicar un reciclaje continuo del licor de aguas residuales desde
la zona anóxica 1109 de tratamiento a la zona anaeróbica 1105. En
cualquier caso, el contenido de sólidos totales en suspensión, del
licor 1119 de aguas residuales que han vuelto a la zona anaeróbica
1105 de tratamiento es, normalmente, al menos 0,3 veces la cantidad
de los sólidos totales en suspensión o contenido de DBO5 del agua
1103 influente que va al sistema de tratamiento. Por consiguiente,
el caudal de la corriente 1119 del licor reciclado, de forma
continua o intermitente, a la zona anaeróbica 1105 desde las zonas
anóxica y/o anaeróbica 1109/1111 estará, normalmente, en el
intervalo de aproximadamente 50/1 a aproximadamente 1/300 del caudal
influente 1103 de las aguas residuales que van a ser tratadas.
(100-200% más típico). Al entrar en la zona aeróbica
1105 de tratamiento, relativamente en reposo, el contenido de
sólidos microbianos y otros, del licor 1119 reciclado tiende a
sedimentar en el fondo del depósito de tratamiento anaeróbico, donde
sufre la digestión anaeróbica y la conversión parcial a gases y
componentes más solubles, como se discutió anteriormente.
Periódicamente, o continuamente, una corriente 1121 de contenido de
sólidos relativamente alto, de aproximadamente tres a
aproximadamente cinco por ciento en peso de sólidos totales en
suspensión, de los cuales aproximadamente la mitad es de sólidos
volátiles en suspensión y la mitad restante es de sólidos en
suspensión fijos, se puede descargar desde la zona anaeróbica 1105
para un tratamiento adicional y eliminación. Habrá que indicar que
la reducción de los sólidos volátiles en suspensión representa un
ahorro económico significativo en las necesidades posteriores de
tratamiento. En sistemas integrados, donde la etapa de reducción de
lodos se incorpora a las etapas de tratamiento de líquidos, el
volumen de la zona anaeróbica es normalmente del 20 al 40% del
volumen anaeróbico + anóxico + aeróbico total y, normalmente, se
fija o se controla mediante las necesidades de sedimentación y la
concentración orgánica de la corriente influente. Para las aguas
fecales domésticas, la tasa de carga de la superficie es de
aproximadamente 12.228 l/m^{2} de zona anaeróbica/día a
aproximadamente 24.446 l/m^{2} de zona anaeróbica/día. Para los
residuos industriales que tienen altas concentraciones orgánicas o
sistemas de reducción de lodos por separado, donde el flujo del
influente se manipula en un sistema por separado y la carga
orgánica se concentra en la corriente de lodos que va a ser tratada,
la zona anaeróbica es, normalmente, un porcentaje mayor del volumen
total. El volumen de la zona anaeróbica, en este caso, se establece,
normalmente, para proporcionar una tasa de carga orgánica de
aproximadamente 2 kg de DBO5/m^{3} a aproximadamente 6 kg de
DBO5/m^{3}.
Los sólidos residuales se pueden reducir incluso
más, mediante procedimientos adicionales de separación. En la
Figura 12 se ilustra un sistema de tratamiento de mezcla anóxica de
equilibrio con reducción de lodos integrada, provisto de reciclaje
del licor de aguas residuales a través de zonas anaeróbica, anóxica
y aeróbica de tratamiento. A este respecto, las aguas residuales
influentes 1202 que se van a tratar, se introducen a una zona 1204
anaeróbica de tratamiento, relativamente en reposo, donde los
sólidos en suspensión del influente pueden sedimentar y ser
digeridos anaeróbicamente. El efluente 1206 procedente de la zona
anaeróbica de tratamiento, que contiene compuestos orgánicos
solubilizados producidos por la digestión anaeróbica, se introduce
en la zona 1208 anóxica de tratamiento, donde sufre un tratamiento
anóxico para consumir materiales orgánicos solubles y liberar
nitrógeno, y se bombea a la zona 1210 aeróbica de tratamiento
mediante la bomba 1212 como una corriente 1214 anóxica. Como se
describió anteriormente, el licor residual en la zona 1210 aeróbica
de tratamiento es sometido a tratamiento aeróbico periódico, a
reciclaje a la zona anóxica, y a sedimentación y decantación de la
corriente 1216 efluente tratada y clarificada. Las zonas anóxica
1208 y aeróbica 1210, se integran con la zona 1204 anaeróbica
mediante el reciclaje de una corriente 1222 de licor residual a la
zona 1204 anaeróbica desde las zonas anóxica y/o aeróbica, como se
discutió anteriormente, concretamente en relación a la Figura 11B.
Con el fin de concentrar los SVS para la biodegradación, un tamiz
1218 separa materiales sólidos inertes, relativamente grandes, como
por ejemplo piezas de plástico que no serán biodegradables, y los
separa como componentes 1220 de salida relativamente inertes. Se
hace volver la corriente 1224 de licor residual tamizada a la zona
anaeróbica, como se muestra en la Figura 12A. En la zona 1204
anaeróbica, una porción 1226 de los sólidos sedimentados en el fondo
de la zona anaeróbica, se bombea periódicamente a través de un
ciclón 1228 separador de arenillas, que puede ser de diseño
convencional como por ejemplo el separador de arenillas modelo FHG1
Hydrogrit^{TM} de FLUIDYNE Corporation de Cedar Falls Iowa, y se
hace regresar a la zona anaeróbica de una manera relativamente en
reposo. La corriente 1230 de arenillas que se separa mediante este
tratamiento será relativamente alta en componentes inorgánicos
tales como arena y arcilla, que se deshidratan y se eliminan en el
vertedero más fácilmente que la torta de filtración de las aguas
residuales. Este tratamiento con tamiz separador y ciclón de
arenillas se puede aplicar a otras diversas corrientes en el
sistema integrado. Los componentes SVS de los lodos orgánicos son
retenidos en el sistema durante la reducción prolongada de lodos,
pero los lodos en exceso se pueden separar periódicamente según la
práctica convencional, cuando sea necesario. Un sistema doble de
tratamiento de mezcla anóxica de equilibrio como el de las Figuras
2 y 3, con diseño de tratamiento de reducción de lodos, se muestra
de forma similar en la Figura 12B. La corriente 1252 influente de
aguas residuales introducida en un depósito 1254 anaeróbico de
tratamiento, que descarga a un único depósito 1256 anóxico, que
interacciona con dos depósitos aeróbicos 1258, 1260. El licor
residual procedente del depósito 1256 anóxico se recicla al depósito
anaeróbico a través de los tamices 1262, 1264 para separar grandes
materiales no biodegradables, y los sólidos anaeróbicos se pueden
reciclar a través de un separador 1266 de arenillas inorgánicas para
separar los SSF 1268, como se discutió anteriormente.
Para plantas de tratamiento pequeñas, la zona
anaeróbica se puede usar también para el pretratamiento mediante la
acción de una trampa de detritus y arenillas, y lavándolas para su
eliminación final. Las plantas más grandes generalmente utilizan un
pretratamiento por separado. A este respecto, estos sistemas pueden
tener, por consiguiente, un depósito adicional de pretratamiento al
que se reciclan los lodos, y que descarga al depósito de mezcla
anóxica. Los lodos en el depósito se pueden reciclar a través de un
tamiz y/o un filtro de ciclón para separar sólidos inertes como se
describe y se muestra en las Figuras 12-14.
Los sistemas de tratamiento según la presente
invención se pueden usar también para el tratamiento y la reducción
de lodos procedentes de las plantas de biotratamiento existentes o
separadas. En esta aplicación, la realización preferida incorpora
el tamizado de lodos, continuo o periódico, y la separación de
componentes inorgánicos, para separar y concentrar los componentes
inorgánicos y oxidar de forma sustancialmente completa los lodos
orgánicos restantes. Como se muestra en la Figura 12C (Sistema de
reducción de lodos (SRL), y SRL con separación de componentes
inorgánicos), se pueden hacer pasar los lodos residuales, o el licor
1282 mixto, procedentes de la planta de biotratamiento de los
depósitos 1284 de retención de lodos, a través de un tamiz fino
(0,010 a 0,100 de abertura de ranura) 1286 y todo, o parte, de los
lodos tamizados se introducen en la zona 1288 anaeróbica no
agitada. El resto se recicla a la planta de biotratamiento y/o al
digestor 1290 aeróbico. Una bomba 1292 de reciclaje toma los
componentes inorgánicos que contienen los lodos desde la zona
anaeróbica o anóxica y los pasa a través de un ciclón 1294 para
separar continuamente los componentes inorgánicos. El tamiz fino
separa fragmentos pequeños y piezas de plástico, que pueden ser de
naturaleza orgánica pero resistentes a la biodegradación y, por lo
tanto, se puede considerar que son esencialmente inertes. El tamiz
fino puede separar también partículas inorgánicas más grandes. El
hidrociclón puede separar partículas inorgánicas tan finas como de
25 micrómetros en su dimensión mayor. Los materiales rechazados por
el tamiz y el hidrociclón se deshidratan, esencialmente con
concentraciones de sólidos del 50% o más. La separación continua de
los componentes inorgánicos permite un espacio adicional para los
sólidos orgánicos restantes en la zona 1288 anaeróbica de
tratamiento, que permite un tiempo adicional de tratamiento y la
biodegradación. En un tiempo y unas condiciones adecuadas dadas,
los lodos orgánicos se consumen, al fin, y se destruyen
sustancialmente. Los principales productos residuales llegan a ser
entonces los materiales tamizados y los componentes inorgánicos
separados, que son susceptibles de ser recogidos en contenedores
para su eliminación final en el vertedero. Ya que los materiales
tamizados y los sólidos inorgánicos han pasado por un
biotratamiento, son relativamente estables e incuestionables a
efectos del vertedero. De forma similar, se ilustra en la Figura 12D
un sistema independiente de reducción de lodos adaptado para usar
sistemas de reacción por cargas secuenciadas de carga anóxica de
equilibrio, como los aquí descritos, para tratar lodos 1281
residuales procedentes de un biotratamiento convencional o de un
depósito 1283 de retención de lodos. Como se muestra, los lodos
residuales pueden primero ser tamizados para separar los
componentes más grandes no biodegradables, como por ejemplo piezas
de plástico, para su evacuación a contenedores portátiles o a otro
recipiente, e introducido directamente en el depósito 1285 de
tratamiento anóxico (o anaeróbico) de un sistema de reducción de
lodos que comprende también un depósito 1287 de tratamiento
anaeróbico relativamente en reposo, y un depósito 1289 de
tratamiento aeróbico. El licor residual se recicla a través de un
ciclón de arenillas desde el depósito anóxico 1285 y/o el aeróbico
1289, al depósito de tratamiento anaeróbico, después de la
clarificación del efluente 1292 procedente del depósito (el cual se
puede introducir como aguas residuales influentes a un sistema de
tratamiento de aguas residuales). El componente de arenillas
inorgánicas es relativamente benigno a efectos de eliminación, y su
separación permite un biotratamiento más eficaz del depósito de
tratamiento anaeróbico, donde la arenilla inorgánica, de lo
contrario, se acumularía. En el sistema independiente de reducción
de lodos de la Figura 12D, los lodos 1281 residuales introducidos
en el sistema tienen, normalmente, un contenido de sólidos
relativamente alto (por ejemplo, al menos aproximadamente 0,2%, en
peso, de sólidos), y el sistema está particularmente adaptado para
reducir los componentes SVS de los lodos. A este respecto, el caudal
de reciclaje del licor residual bombeado desde el depósito 1289
aeróbico (o desde el depósito 1285 anóxico), será al menos
aproximadamente el 50 por ciento del caudal de los lodos 1281
residuales introducidos el depósito anóxico (o anaeróbico) para su
tratamiento. Para lodos de aguas residuales municipales, este caudal
de reciclaje puede estar, deseablemente, en el intervalo de
aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 veces el flujo influente de
los lodos 1281 residuales. El depósito 1287 anaeróbico constituirá,
normalmente, de aproximadamente el 20 por ciento a aproximadamente
el 60 por ciento del volumen total de los depósitos anaeróbico,
anóxico y aeróbico, 1285, 1287, 1289. De forma similar, el depósito
1285 anóxico comprenderá, normalmente de aproximadamente el 10, a
aproximadamente el 40 por ciento, y el depósito 1289 aeróbico
comprenderá normalmente de aproximadamente el 20, a aproximadamente
el 60 por ciento del volumen, o capacidad, del tratamiento total de
los depósitos anaeróbico, anóxico y aeróbico juntos, con el fin de
maximizar la capacidad de reducción de lodos del sistema.
Suponiendo que sustancialmente la totalidad de
los sólidos inorgánicos en suspensión se separan y se eliminan con
un contenido de sólidos del 50%, y que hay 10% de sólidos orgánicos
residuales con una concentración del 5%, un total de sólo
aproximadamente 1.514 lpd de residuos requieren la eliminación final
de los 3,8 Mld del ejemplo anterior. Esto está bien por debajo del
0,1% del flujo del influente y es mejor que una reducción 10 a 1 en
los residuos para la eliminación final comparada con los sistemas de
tratamiento de aguas residuales estándar convencionales.
En las Figuras 13 y 14 se ilustra un sistema
1300 independiente de reducción de lodos (SRL) que se usa junto con
un sistema adyacente de tratamiento de aguas residuales
(parcialmente mostrado en la Figura 13) para reducir la producción
de lodos residuales totales procedente del sistema de tratamiento de
aguas residuales. Como se muestra en la Figura 13, que es una vista
superior del sistema 1300 de SRL, adyacente a un depósito 1302
reactor por cargas secuenciales del sistema de tratamiento de aguas
residuales, y adyacente a un depósito 1304 digestor aeróbico
convencional, separado, para el sistema de aguas residuales.
El sistema 1300 de reducción de lodos comprende
un depósito 1308 anaeróbico, un depósito 1310 anóxico y un depósito
1312 de aireación, mostrados aproximadamente a escala, que se
generan como se describió anteriormente. El depósito 1312 de
aireación se mezcla y se airea mediante aspiradores 1314 a chorro, y
puede recibir y tratar lodos residuales procedentes de cualquiera
de los dos, o ambos, digestores 1304 aeróbicos introduciendo
apropiadamente los lodos en el sistema. A este respecto, los lodos
1306 residuales procedentes del depósito 1302 RCS, o del digestor
1301 aeróbico, se pueden introducir en el depósito 1308 de
tratamiento anaeróbico cubierto, a través de un tamiz 1316 que
filtra las partículas más grandes, generalmente inertes. El tamiz
1316 puede descargarse en cualquiera de los depósitos 1308, 1310,
1312, pero preferiblemente al depósito anaeróbico o al anóxico. Los
sólidos pesados sedimentados en el fondo del depósito 1308
anaeróbico, que tendrá, normalmente, un alto contenido inorgánico,
se pueden bombear a través de un ciclón 1318 de arenillas para
separar las arenillas y volver al depósito de tratamiento
anaeróbico o al digestor aeróbico.
Claims (7)
1. Un método de reacción por cargas secuenciadas
y mezcla anóxica de equilibrio, para tratar aguas residuales y
reducir su contenido de sólidos, la demanda biológica de oxígeno
(DBO) y el contenido de compuestos nitrogenados en un tiempo global
de ciclo de tratamiento, mediante reacción por cargas secuenciadas,
de menos de 20 horas, que comprende las etapas de:
- proporcionar una zona anaeróbica de pretratamiento, una zona anóxica de tratamiento de aguas residuales y una zona aeróbica de tratamiento secuenciado de líquido residual, en la que la relación de volumen de la zona anóxica de tratamiento de líquido residual, respecto al volumen de la zona aeróbica de tratamiento secuenciado de líquido residual, está en el intervalo de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 1; y en la que la zona anaeróbica de tratamiento tiene un volumen de tratamiento en el intervalo de aproximadamente el 30 por ciento a aproximadamente el 300 por ciento del volumen de tratamiento de la zona anóxica de tratamiento;
- introducir las aguas residuales procedentes de dicha zona anaeróbica de pretratamiento en la zona anóxica de tratamiento del líquido residual que contiene sólidos residuales que incluyen microorganismos bajo condiciones anóxicas;
- introducir las aguas residuales y los microorganismos de tratamiento, procedentes de dicha zona anóxica de tratamiento del líquido residual, en la zona aeróbica de tratamiento secuenciado del líquido residual, que contiene sólidos residuales que incluyen microorganismos de tratamiento bajo condiciones aeróbicas;
- mezclar y airear el líquido residual en la zona aeróbica de tratamiento de aireación por cargas secuenciadas para reducir la demanda biológica de oxígeno de las aguas residuales y convertir al menos una porción del contenido nitrogenado de las aguas residuales en componentes de nitrito o nitrato inorgánico;
- introducir y mezclar el líquido residual y los microorganismos de tratamiento, procedentes de la zona de tratamiento secuenciado del líquido residual, en la zona anóxica de tratamiento del líquido residual para proporcionar a la zona aeróbica de tratamiento de reacción por cargas secuenciadas, componentes oxidantes de nitrato o nitrito, para el metabolismo de los microorganismos del tratamiento anóxico y convertir los componentes de nitrato o nitrito en nitrógeno para su separación de las aguas residuales;
- mantener, a continuación, el líquido residual en las zonas aeróbicas de tratamiento de aguas residuales por cargas secuenciales, en un estado de reposo durante un periodo de sedimentación para formar una capa superior clarificada y una capa inferior de licor residual estratificada que contiene sólidos residuales que incluyen los microorganismos de tratamiento;
- reciclar el licor residual desde la zona anóxica, o la zona aeróbica, a la zona anaeróbica de pretratamiento con un caudal en el intervalo de aproximadamente 50/1 a aproximadamente 1/300 del caudal de las aguas residuales influentes a la zona anaeróbica de tratamiento, en la que al menos una porción de los sólidos totales en suspensión de las aguas residuales influentes que van a ser tratadas, sedimentan en una zona anaeróbica de sólidos sedimentados en la porción inferior de la zona anaeróbica de tratamiento, en la que al menos el 50 por ciento en peso del contenido de sólidos microbianos y otros (STS) del licor residual, reciclado directa o indirectamente a la zona anaeróbica, sedimenta en la zona anaeróbica de sólidos sedimentados, en la porción inferior de la zona anaeróbica de tratamiento, junto con los sólidos de las aguas residuales influentes sedimentados, en los que al menos el 10 por ciento en peso de los sólidos orgánicos que sedimentan en la zona de sólidos sedimentados, son digeridos biológicamente de forma anaeróbica para producir componentes sólidos solubles digeridos anaeróbicamente y gas, en el que las aguas residuales procedentes de la zona anaeróbica de tratamiento que incluye tanto aguas residuales influentes como aguas residuales del licor residual reciclado, son conducidas desde la zona anaeróbica a la zona anóxica, y en la que al menos los componentes solubles de la digestión anaeróbica, producidos por la digestión anaeróbica en la zona anaeróbica de tratamiento, son conducidos en el flujo de aguas residuales desde la zona anaeróbica de tratamiento a la zona anóxica de tratamiento para el biotratamiento anóxico, y a la zona aeróbica de tratamiento para el biotratamiento aeróbico; y
- separar una porción predeterminada de la capa superior clarificada de la respectiva zona de tratamiento secuenciado de aireación como una corriente efluente tratada que tiene contenido de sólidos, una DBO y un contenido de compuestos nitrogenados reducidos con respecto a dichas aguas residuales influentes.
2. Un método según la reivindicación 1, en el
que dicha mezcla y aireación del líquido residual, en dicha zona
aeróbica de tratamiento de aireación por cargas secuenciadas, se
lleva a cabo durante al menos la mitad de dicho tiempo global del
ciclo de tratamiento de reacción por cargas secuenciadas, en el que
la tasa de carga superficial de la zona anaeróbica es de
aproximadamente 4 a 40 m^{3}/m^{2}/día, en el que la tasa de
carga orgánica de la zona anaeróbica es de aproximadamente 1 a 5
kg/m^{3}/día, y en el que la cantidad de lodos orgánicos
producidos es inferior a aproximadamente 0,2 gramos de lodos
orgánicos por gramo de DBO5 del influente.
3. Un método según la reivindicación 1, que
utiliza una secuencia repetitiva de las siguientes etapas:
- una etapa de llenado, en la que las aguas residuales influentes se introducen en la zona anóxica de tratamiento del líquido residual y se bombean desde la zona anóxica de tratamiento del líquido residual a, al menos, una zona aeróbica de tratamiento de residuos por cargas secuenciadas, hasta que se alcanza un predeterminado nivel superior del líquido en la zona aeróbica de tratamiento de residuos por cargas secuenciadas;
- una etapa de interacción en la que las aguas residuales influentes se airean en la zona aeróbica de tratamiento de residuos por cargas secuenciadas, mientras que el líquido aireado procedente de la zona aeróbica de tratamiento, que contiene componentes de nitrato o nitrito, se introduce en la zona anóxica, y el líquido residual anóxico procedente de la zona anóxica se introduce en la zona aeróbica;
- una etapa de sedimentación en la que las aguas residuales influentes se introducen en la zona anóxica de tratamiento, mientras que el líquido residual es mantenido en la zona aeróbica en estado de reposo sin mezcla sustancial, aireación o introducción de las aguas residuales procedentes de la zona anóxica, para proporcionar una zona superior de aguas residuales clarificadas; y
- una etapa de decantación en la que el efluente clarificado se retira periódicamente de la zona superior clarificada de la zona aeróbica de tratamiento.
4. Un método según la reivindicación 3, en el
que la etapa de llenado se lleva a cabo durante aproximadamente 0,1
a aproximadamente 1 hora; la etapa de interacción se lleva a cabo
durante aproximadamente 0,1 a aproximadamente 2 horas; la etapa de
sedimentación se lleva a cabo durante aproximadamente 0,5 a
aproximadamente 1 hora; y la etapa de decantación se lleva a cabo
durante aproximadamente 0,1 a aproximadamente 1 hora, y el ciclo
total de tratamiento se lleva a cabo durante aproximadamente 2 a
aproximadamente 12 horas.
5. Un método según la reivindicación 3, que
incluye además una etapa de reacción de aireación, después de la
etapa de interacción, y antes de la etapa de sedimentación, en la
que las aguas residuales influentes se introducen en la zona de
mezcla anóxica, y la zona aeróbica de tratamiento del líquido
residual se mezcla y se airea sin introducción de aguas residuales
procedentes de la zona de mezcla anóxica en la zona aeróbica de
tratamiento.
6. Un método según la reivindicación 1, en el
que las aguas residuales anóxicas se transfieren secuencialmente a
una pluralidad de zonas aeróbicas de tratamiento.
7. Un reactor por cargas secuenciadas,
multicámaras, para el tratamiento de aguas residuales, que
comprende:
- un depósito anaeróbico de tratamiento,
- un depósito anóxico de reacción de equilibrio,
- una entrada para introducir las aguas residuales que van a ser tratadas en el depósito anóxico de reacción de equilibrio;
- un depósito de reacción de aireación para mezclar y airear periódicamente las aguas residuales y los microorganismos de tratamiento de aguas residuales;
- una bomba para transferir periódicamente aguas residuales y microorganismos de tratamiento desde el depósito anóxico de reacción de equilibrio al depósito de reacción de aireación, que tiene una capacidad de bombeo de al menos aproximadamente 0,1 veces el volumen del depósito de mezcla anóxica por hora;
- medios de aireación para airear las aguas residuales en el depósito aeróbico de reacción;
- medios de decantación para retirar líquido desde la parte superior del depósito aeróbico de reacción; y
- un vertedero de superficie pasivo para el desnatado de la superficie de las aguas residuales entre el depósito anóxico de reacción de equilibrio y el depósito aeróbico de reacción a un predeterminado nivel superior de líquido.
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