En general, el éxito de los sistemas de tratamiento biológico depende de la concentración de biomasa y del tiempo medio de residencia celular (MCRT), así como de la capacidad del sistema de tratamiento para separar el lodo del líquido tratado. Estos parámetros controlan la eficiencia del tratamiento y la calidad del efluente. Los sistemas de tratamiento biológico de crecimiento suspendido que se basan en procesos de lodo activado tienen dificultades para mantener una concentración adecuada de biomasa activa y para separar eficazmente los sólidos del líquido. También producen grandes cantidades de lodo y tienen una lenta adaptación a las condiciones influyentes. Estos problemas se han abordado en el diseño de sistemas de tratamiento de película fija que utilizan biomasa microbiana adherida, inmovilizada en un material de soporte. Las células inmovilizadas crecen y producen biopelículas microbianas, que contienen un consorcio de microorganismos que cambia con el tiempo y dentro del grosor de la biopelícula. Los sistemas de película fija pueden funcionar en modo aeróbico, anóxico o anaeróbico dependiendo de la naturaleza de los compuestos contaminantes. Estos sistemas ofrecen diversidad microbiana y evitan el lavado de biomasa. También ofrecen un mayor MCRT y facilidad de operación en relación con la separación de la biomasa del líquido. Sin embargo, los sistemas de película fija tienen una tasa menor de eliminación de contaminantes en comparación con los sistemas de tratamiento de crecimiento suspendido ya que la tasa de eliminación en estos sistemas se controla mediante transferencia de masa y difusión dentro de la biopelícula microbiana. Los sistemas aeróbicos de película fija que tratan altas concentraciones orgánicas tienen una capacidad limitada debido a las limitaciones de transferencia de oxígeno. Además, la acumulación de una biopelícula gruesa y pesada, como resultado de altas concentraciones de sustancias orgánicas puede causar obstrucción, interrumpiendo seriamente el funcionamiento del sistema de tratamiento. Por lo tanto, los sistemas de película fija tienen una aplicación limitada en el tratamiento de aguas residuales con alta carga orgánica. Otra desventaja del sistema de tratamiento de película fija es que generalmente operan en modo de flujo de tapón y no ofrecen el ambiente homogéneo proporcionado por reactores completamente mezclados. En estos sistemas, hay una alta concentración de contaminantes en el extremo influyente del reactor y los microorganismos estarán sujetos a la concentración total de contaminantes que pueden ser tóxicos.
Todas las tecnologías discutidas anteriormente se diseñaron originalmente para el tratamiento secundario, es decir, la eliminación de compuestos carbonosos y la separación sólido-líquido y no para eliminar nutrientes, especialmente compuestos nitrogenados y de fósforo o sustancias halógenas de las aguas residuales o aguas subterráneas contaminadas y lixiviados de vertederos que requieren la presencia de diferentes ambientes con diferentes niveles de concentración de oxígeno disuelto y potencial de oxidación-reducción. Estas tecnologías tampoco pueden estabilizar el lodo producido y necesitan recipientes suplementarios para este proceso.
Para cumplir con los estrictos criterios de descarga, incluida la eliminación de nitrógeno y fósforo, las plantas de tratamiento de aguas residuales generalmente mejoran su rendimiento mediante el uso de tecnologías adicionales como los sistemas de eliminación de nutrientes biológicos (BNR). Las teorías de los mecanismos biológicos de eliminación de nitrógeno y fósforo demuestran que la eliminación de nitrógeno necesita la presencia de entornos aeróbicos y anóxicos, mientras que la eliminación de fósforo exige la presencia de entornos anaeróbicos y aeróbicos en el sistema de tratamiento.
Las tecnologías convencionales de tratamiento de aguas residuales, desarrolladas originalmente para la eliminación de compuestos carbonosos (DBO) y sólidos suspendidos, permiten la eliminación de nutrientes al proporcionar unidades aireadas, anóxicas o anaeróbicas adicionales en serie, junto con varias corrientes de reciclaje internas para lograr la eliminación requerida de nitrógeno y/o fósforo.
Estas modificaciones han aumentado la complejidad de los sistemas de tratamiento y han complicado su diseño y optimización adecuados. La nitrificación, el primer paso en el mecanismo biológico de eliminación de nitrógeno que implica la conversión de nitrógeno amoniacal en nitrógeno nitrato, requiere un ambiente aeróbico y se logra en todos los reactores aeróbicos si se dan las condiciones operativas adecuadas, como el pH líquido, la concentración de carbonato y el adecuado tiempo de retención del lodo. La desnitrificación, es decir, la transformación de nitrógeno de nitrato en nitrógeno molecular se puede lograr mediante la adición de un reactor anóxico de lodo activado o un sistema de película fija. Una fuente de carbono fácilmente degradable debe estar presente para el proceso de desnitrificación. Si el sistema de tratamiento no puede suministrar la fuente de carbono requerida, entonces se debe agregar metanol, etanol, ácido acético o un compuesto diferente. En estos procesos combinados, las aguas residuales o las aguas subterráneas contaminadas se introducen primero en el reactor de desnitrificación anóxica. El efluente del reactor anóxico se alimenta al reactor aeróbico.
Se necesita un tiempo de retención suficiente en el reactor aeróbico para garantizar una oxidación completa de los compuestos carbonosos, así como un crecimiento y una proliferación adecuados de nitrificadores de crecimiento lento para llevar a cabo el proceso de nitrificación y convertir el nitrógeno de amoníaco en nitrógeno de nitrato. Los sistemas de reactores de secuenciación por “baches” (SBR) se han utilizado para la eliminación biológica de nitrógeno mediante la incorporación de biorreactores de secuenciación aeróbica anóxica. En lugar de utilizar una fuente de carbono externa para la desnitrificación, es muy posible diseñar un sistema de nitrificación-desnitrificación que utilice el carbono presente en las aguas residuales sin tratar, así como el carbono liberado de la respiración endógena del lodo microbiano. En estos sistemas, la nitrificación y la desnitrificación ocurren en un solo recipiente con zonas aeróbicas y anóxicas alternas. Alternativamente, las zonas aeróbicas y anóxicas pueden estar presentes en recipientes separados posicionados en serie. Se requiere un reciclaje suficiente para evitar que el efluente contenga una concentración excesiva de amoníaco. Se han desarrollado varios sistemas junto con estos elementos de diseño. Los dos más exitosos han sido la zanja de oxidación desnitrificante y el proceso de Bardenpho.
En la zanja de oxidación desnitrificante, se agrega una zona anóxica dentro del reactor aeróbico. El influente se agrega a la zona anóxica y el efluente se retira del reactor aeróbico. Luego, los sólidos se separan del líquido al asentarse en un clarificador. Una de las modificaciones de diseño más comunes para la eliminación mejorada de nitrógeno se conoce como el proceso de Ludzack-Ettinger modificado (MLE). En este proceso, se agrega un tanque anóxico aguas arriba de la zanja de oxidación junto con la recirculación de licor mezclado desde la zona aeróbica al tanque para lograr niveles más altos de desnitrificación.
Otra variación de los sistemas aeróbicos/ anóxicos para la nitrificación /desnitrificación es el proceso Bardenpho de cuatro etapas que tiene dos recipientes aeróbicos y dos anóxicos. El carbono de las aguas residuales no tratadas y de la descomposición endógena de microorganismos se utiliza para la desnitrificación devolviendo las aguas residuales tratadas aeróbicamente a la zona anóxica inicial.
Para lograr la eliminación de fósforo y la eliminación de nitrógeno, es necesaria la incorporación de una zona anaeróbica adicional en el sistema de tratamiento. Dos de estas configuraciones son el proceso A2/O y el proceso Bardenpho de cinco etapas. El sistema A2/O incluye zonas anaeróbicas, anóxicas y aeróbicas. En este proceso, las aguas residuales no tratadas se agregan primero a la zona anaeróbica donde se libera fósforo soluble y los microorganismos acumuladores de fósforo absorben los VFA (Ácidos Grasos Volátiles). El efluente del tanque anaeróbico se alimenta a la zona anóxica para la reducción del nitrato y su conversión en nitrógeno. El efluente de la zona anóxica fluye hacia la zona aeróbica para la eliminación de la DBO y la nitrificación. La separación de sólidos y líquidos tiene lugar en un clarificador. Dos corrientes de reciclaje están presentes en este proceso: una desde el clarificador a la zona anaeróbica para devolver una porción del lodo separado, y la segunda desde la zona aeróbica a la zona anóxica que transporta nitrato para el proceso de desnitrificación. La capacidad del proceso A2/0 para proporcionar deshalogenación anaeróbica ha despertado interés en este proceso para el tratamiento de aguas subterráneas y lixiviados de vertederos contaminados con sustancias químicas peligrosas como compuestos alifáticos clorados, reconocidos como contaminantes comunes del suelo y las aguas subterráneas en todo el mundo.
En el sistema Bardenpho, hay dos zonas aeróbicas y dos anóxicas. Similar al proceso A2/0, también hay dos corrientes de reciclaje entre el clarificador y la zona anaeróbica, y entre las primeras zonas aeróbicas y anóxicas. En esta configuración, se logra una eliminación más completa de nitrógeno. Además, la zona anaeróbica no recibirá nitrato en la corriente de reciclaje, por lo que también puede tener lugar un mejor proceso de eliminación de fósforo. El proceso Bardenpho de cinco etapas tiene una alta capacidad de eliminación de nutrientes y puede eliminar altas concentraciones de nitrógeno y fósforo de las aguas residuales y las aguas subterráneas contaminadas.
Como se aprende de la descripción anterior, la mayoría de los sistemas convencionales de eliminación de nutrientes son procesos de múltiples recipientes /zonas que tienen diseños complicados y grandes huellas y requieren una alta atención por parte del operador y requisitos de mantenimiento.
Una alternativa de eliminación de nutrientes, la tecnología de tratamiento de aguas residuales que utiliza un sistema multizona con diferentes condiciones ambientales, es el Clarificador Integrado Biológicamente Activo (IBAC). Esta tecnología que se encuentra actualmente en operación comercial en Quebec, Canadá, combina el tratamiento biológico, la separación sólido-líquido y la estabilización de lodos en un solo recipiente. Este sistema de tratamiento tiene tres zonas biológicas apiladas verticalmente que tienen entornos aeróbicos, anóxicos y anaeróbicos, así como una zona de clarificación. El apilamiento vertical de las zonas de tratamiento provoca el asentamiento del material sólido pesado que incluye témpanos biológicos de alta densidad a la zona anaeróbica que se encuentra en el fondo del reactor donde se produce la biodegradación anaeróbica. 'El sistema no utiliza corrientes de reciclaje para lodos o licor mezclado. La mezcla y la recirculación de líquidos es proporcionada por la introducción de aire en la zona aeróbica. Esta tecnología sufre una serie de problemas que perturban gravemente el funcionamiento del sistema de tratamiento. Incluyen el aumento periódico de lodo en la zona de clarificación debido a la producción excesiva de gas en la zona anaeróbica del fondo, la eliminación inconsistente de nutrientes y la pobre capacidad de sedimentación de los sólidos. Además, esta tecnología no permite el control adecuado y la optimización del tratamiento biológico y los procesos de separación sólido-líquido debido a la ocurrencia de todos los procesos diferentes en un solo recipiente y las interacciones existentes entre ellos.
La mayoría de las soluciones de la técnica anterior adolecen de diseños complicados, altos requisitos de mantenimiento o grandes huellas, así como una capacidad limitada para abordar el tratamiento de aguas subterráneas o lixiviados de vertederos contaminados con una mezcla de compuestos contaminantes de naturaleza orgánica e inorgánica. Los ejemplos de tales contaminaciones incluyen mezclas de hidrocarburos (por ejemplo, combustible diesel, combustible para aviones o gasolina) con nitrato y fósforo, que comúnmente resultan de las actividades agrícolas y aeroportuarias o militares combinadas. Otros ejemplos incluyen mezclas de hidrocarburos aromáticos e hidrocarburos halogenados (por ejemplo, PCE y TCE) y, a veces, metales. Este tipo de contaminaciones requieren la presencia simultánea en el sistema de tratamiento de grupos diversificados de microorganismos, así como diferentes condiciones ambientales que incluyen diferentes niveles de concentración de oxígeno disuelto y potencial redox para su tratamiento completo. Deben tomarse medidas para el crecimiento adecuado de la biomasa y el mantenimiento de todos los diferentes grupos microbianos, la separación efectiva de sólidos y líquidos, la estabilización de lodos y la optimización y control adecuados de las condiciones ambientales en las múltiples zonas del sistema de tratamiento.
