El fango activo es un cultivo biológico de microorganismos suspendidos en el agua residual que, con aporte de oxígeno y nutrientes, transforma la materia orgánica en gases, agua y nueva materia celular. Los microorganismos forman flóculos que después se separan del agua mediante sedimentación en un decantador secundario.
El proceso funciona mediante dos operaciones diferenciadas: la oxidación biológica en el reactor o cuba de aireación y la separación sólido-líquido en el decantador secundario. Una parte del fango sedimentado se recircula al reactor para conservar una concentración suficiente de biomasa, mientras que el excedente se extrae y se envía al tratamiento de fangos.
Qué es el proceso de fangos activos
El proceso de fangos activados es un sistema de tratamiento de las aguas residuales en el que se mantiene un cultivo biológico formado por diversos tipos de microorganismos y el agua residual a tratar. Los microorganismos se alimentarán de las sustancias que lleva el agua residual para generar más microorganismos y en el proceso se forman unas partículas fácilmente decantables que se denominan flóculos y que en conjunto constituyen los denominados fangos activos o biológicos.
Podemos definir los “Procesos Biológicos de Depuración Aerobia”, como aquellos realizados por determinado grupo de microorganismos (principalmente bacterias y protozoos) que, en presencia de Oxígeno, actúan sobre la materia orgánica e inorgánica disuelta, suspendida y coloidal existente en el agua residual, transformándola en gases y materia celular, que puede separarse fácilmente mediante sedimentación.
La unión de materia orgánica, bacterias y sustancias minerales forma los flóculos y el conjunto de flóculos es lo que todos conocemos como fango biológico. Los objetivos que persigue este tipo de tratamiento son la transformación de la materia orgánica y la coagulación y eliminación de los sólidos coloidales no sedimentables.
En el caso de algunas aguas residuales urbanas, también se persigue la eliminación de Nitrógeno y de Fósforo. Por último, conseguimos además la disminución de los microorganismos patógenos y fecales que habitan el agua residual.
Qué ocurre antes de la fase biológica
Cuando las aguas residuales entran en una Estación Depuradora, sufren un pretratamiento en el que se retiran los sólidos y gruesos de gran tamaño, así como las arenas y grasas.
Básicamente, existen dos tipos de tratamientos biológicos aerobios:
- Procesos de Cultivo en Suspensión (Fangos Activados).
- Procesos de Cultivo Fijo (Lechos Bacterianos).
En el proceso de fangos activos, la biomasa permanece suspendida en el agua del reactor y se mantiene mezclada mediante agitación y aireación. Esta configuración permite que los microorganismos entren continuamente en contacto con la contaminación biodegradable.
Cómo funciona la oxidación biológica
La oxidación biológica es el mecanismo mediante el cual los microorganismos degradan la materia orgánica contaminante del agua residual. De esta forma, estos microorganismos se alimentan de dicha materia orgánica en presencia de oxígeno y nutrientes, de acuerdo con la siguiente reacción:
Materia orgánica + Microorganismos + Nutrientes + O2 = Productos Finales + Nuevos microorganismos + Energía.
Para que lo anteriormente expuesto se produzca, son necesarias dos tipos de reacciones fundamentales totalmente acopladas: de síntesis o asimilación y de respiración endógena u oxidación.
Reacciones de síntesis o asimilación
Consisten en la incorporación del alimento (materia orgánica y nutrientes) al interior de los microorganismos. Estos microorganismos al obtener suficiente alimento no engordan, sino que forman nuevos microorganismos reproduciéndose rápidamente.
Parte de este alimento es utilizado como fuente de energía. La reacción que ocurre es la siguiente:
CHNO (materia orgánica) + O2 + Bacterias + Energía = C5H7NO2 (sustancias del interior bacteriano).
Reacciones de oxidación y respiración endógena
Los microorganismos al igual que nosotros, necesitan de energía para poder realizar sus funciones vitales (moverse, comer etc.), dicha energía la obtienen transformando la materia orgánica asimilada y aquella acumulada en forma de sustancias de reserva en gases, agua y nuevos productos de acuerdo con la siguiente reacción:
C5H7NO2 (material celular) + 5O2 = 5CO2 + 2H2O + NH3 + Energía.
Como podemos observar, después de un tiempo de contacto suficiente entre la materia orgánica del agua residual y los microorganismos (bacterias), la materia orgánica del medio disminuye considerablemente transformándose en nuevas células, gases y otros productos.
Este nuevo cultivo microbiano seguirá actuando sobre el agua residual. A todo este conjunto de reacciones se les denomina de oxidación biológica, porque los microorganismos necesitan de oxígeno para realizarlas.
Los microorganismos se ven obligados a la respiración endógena y a metabolizar el material del citoplasma de sus "colegas" y sus propias reservas (lisis) de esta forma aumentan la tasa de formación del Floc biológico.
Etapas principales del proceso
1. Reactor biológico o cuba de aireación
La primera tiene lugar en el denominado reactor biológico o cuba de aireación, donde vamos a mantener el cultivo biológico en contacto con el agua residual. El cultivo biológico, denominado licor de mezcla, está formado por gran número de microorganismos agrupados en flóculos conjuntamente con materia orgánica y sustancias minerales.
Dichos microorganismos transforman la materia orgánica mediante las reacciones de oxidación biológica anteriormente mencionadas. La población de microorganismos debe de mantenerse a un determinado nivel, concentración de sólidos en suspensión en el licor de mezcla (SSLM), para llegar a un equilibrio entre la carga orgánica a eliminar y la cantidad de microorganismos necesarios para que se elimine dicha carga.
En esta fase del proceso que ocurre en la cuba de aireación, es necesario un sistema de aireación y agitación, que provoque el oxígeno necesario para la acción depuradora de las bacterias aerobias, que permita la homogenización de la cuba y por tanto que todo el alimento llegue igual a todos los organismos y que evite la sedimentación de los flóculos y el fango.
2. Decantación secundaria
Una vez que la materia orgánica ha sido suficientemente oxidada, lo que requiere un tiempo de retención del agua en el reactor, el licor mezcla pasará al denominado decantador secundario o clarificador.
Aquí, el agua con fango se deja reposar y, por tanto, los fangos floculados tienden a sedimentarse, consiguiéndose separar el agua clarificada de los fangos. El agua clarificada constituye el efluente que se vierte al cauce.
3. Recirculación y purga
Parte de los fangos floculados son recirculados de nuevo al reactor biológico para mantener en el mismo una concentración suficiente de organismos. El excedente de fangos, se extrae del sistema y se evacua hacia el tratamiento de fangos.
Es un procedimiento que consiste en devolver parte de los lodos biológicos desde el decantador secundario hasta el reactor biológico para mantener la concentración adecuada de microorganismos encargados de degradar la contaminación del agua residual.
Aunque parece una operación sencilla, requiere un control preciso para adaptarse a las condiciones de funcionamiento de cada instalación.
El papel de los microorganismos
Los microorganismos que participan en el proceso son principalmente bacterias y protozoos. Las bacterias degradan la materia orgánica y generan nuevas células, mientras que los protozoos contribuyen al equilibrio de la comunidad biológica y a la eliminación de partículas y organismos dispersos.
El desarrollo de los microorganismos depende de que exista alimento biodegradable, oxígeno suficiente, nutrientes disponibles y unas condiciones físicas y químicas compatibles con su actividad.
Las características fisicoquímicas del agua residual determinan el mejor o peor desarrollo de los microorganismos en este sistema, existiendo compuestos contaminantes que son degradables biológicamente y otros que no lo son.
Nutrientes y relación C:N:P
El interior celular, aparte de C, H y O, elementos característicos de la materia orgánica, contiene otros elementos como son el N, P, S, Ca, Mg etc., denominados nutrientes y que a pesar de que muchos de ellos se encuentran en el organismo sólo en pequeñas cantidades, son fundamentales para el desarrollo de la síntesis biológica.
En una EDAR, los microorganismos que degradan la materia orgánica necesitan su “dieta balanceada”: Carbono (C) → viene de la DQO o DBO del agua. Nitrógeno (N) y Fósforo (P) → esenciales para su crecimiento celular.
Lo ideal es mantener una relación C:N:P ≈ 100:5:1. En aguas industriales con poca carga orgánica, puede ajustarse a 100:4:0,5.
Se ha determinado a nivel medio que los microorganismos para sobrevivir necesitan por cada 1000 g. de C, 43 de N y 6 de P, y que en las aguas residuales urbanas existen por cada 1000 g. de C, 200 g. de N y 16 g. de P.
Si comparamos lo que necesitan los microorganismos para sobrevivir, con las cantidades existentes de dichos elementos en el agua residual, podemos concluir que a título general dichos microorganismos pueden desarrollarse en el agua residual perfectamente.
Es interesante comentar que, en el caso de determinadas aguas con vertidos industriales, las proporciones de dichos elementos no están equilibradas, siendo necesario a veces dosificar N y P en el agua, para que pueda darse el desarrollo bacteriano y exista depuración biológica.
Consecuencias de un desequilibrio de nutrientes
Cuando el equilibrio C:N:P se rompe, el sistema lo nota enseguida: fangos ligeros, turbidez y pérdida de rendimiento.
- Si faltan nutrientes (N o P): los microorganismos se “desnutren”, el fango se dispersa y aparecen espumas o efluentes turbios.
- Si sobran: el exceso acaba en el vertido y puede generar toxicidad o incrustaciones.
Por eso, controlar los nutrientes no es opcional, es la clave de una depuración estable y eficiente.
Ejemplo de balance de nutrientes
Imagina una EDAR industrial con: 100 m³/día, DQO de 1.000 mg/L, N total de 5 mg/L y P total de 0,5 mg/L. Para mantener la relación 100:5:1, faltan 4,5 kg de N y 0,95 kg de P por día.
Puedes añadirlos fácilmente con urea (46% N) y ácido fosfórico (27% P), dosificando en el tanque de aireación.
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Caudal | 100 m³/día |
| DQO | 1.000 mg/L |
| N total | 5 mg/L |
| P total | 0,5 mg/L |
| N necesario | 4,5 kg por día |
| P necesario | 0,95 kg por día |
Oxígeno y aireación
Como hemos visto, para el desarrollo de las reacciones biológicas es necesario un medio aerobio, es decir, con oxígeno suficiente que permita el desarrollo y la respiración de los microorganismos aerobios.
Una insuficiente cantidad de oxígeno disuelto puede limitar la actividad de los microorganismos aeróbicos, disminuyendo la eficiencia del proceso de tratamiento.
Es importante optimizar los sistemas de aireación para asegurar que proporcionen el oxígeno necesario. Además, utilizar sensores para monitorear continuamente los niveles de oxígeno disuelto y ajustar la aireación según sea necesario garantizará un funcionamiento eficiente.
Nitrificación
La nitrificación es el proceso en el que el nitrógeno orgánico y amoniacal se oxida, transformándose primero en nitrito y, posteriormente en nitrato.
Estas reacciones las llevan a cabo bacterias muy especializadas, diferentes de aquellas que se encargan de degradar la materia orgánica del medio. Este tipo de bacterias, se reproducen más lentamente y son muy sensibles a los cambios de su medio habitual.
A su vez, necesitan de un aporte de Oxígeno suplementario para que sean capaces de desarrollar las reacciones anteriormente mencionadas, de esta forma en las cubas de aireación de fangos activados necesitan de un nivel de oxígeno de al menos 2 mg/l.
Desnitrificación
La desnitrificación consiste en el paso de los nitratos a nitrógeno atmosférico, por la acción de un grupo de bacterias llamadas desnitrificantes. Dicha forma de nitrógeno tenderá a salir a la atmósfera, consiguiéndose así, la eliminación de nitrógeno en el agua.
Para que las bacterias desnitrificantes actúen, es necesario que el agua tenga bastante carga de materia orgánica, una fuente de nitratos elevada, muy poco oxígeno libre y un pH situado entre 7 y 8.
El oxígeno asociado a los nitratos es la única fuente de oxígeno necesaria para llevar a cabo sus funciones vitales. De esta forma los niveles de oxígeno libre en el medio donde actúan deben de ser inferiores a los 0,2 mg/L.
Es interesante comentar que el tiempo mínimo de contacto entre el agua y las bacterias desnitrificantes debe de ser suficiente para que se produzcan las reacciones deseadas, estimándose un tiempo mínimo de 1,5 horas a caudal medio.
Factores que condicionan el funcionamiento
Temperatura
A medida que aumenta la Temperatura, aumenta la velocidad con que los microorganismos degradan la materia orgánica, pero a partir de los 37oC, dichos organismos mueren. Nuestras temperaturas son ideales para el desarrollo óptimo de los procesos de depuración biológica.
Salinidad
El contenido en sales disueltas no suele ser problemático para el desarrollo bacteriano en el proceso de fangos activos hasta concentraciones de 3 a 4 g/L.
Sin embargo, existen multitud de grupos bacterianos capaces de vivir en aguas saladas, de forma que, si a tu sistema de depuración le das tiempo de adaptación, pueden desarrollarse bastante bien dichos grupos microbianos a concentraciones salinas superiores.
En este sentido, la E.D.A.R. de El Rompido que funciona mediante tratamiento biológico por Fangos Activos, tiene un rendimiento excelente con aguas residuales de elevada salinidad.
Tóxicos e inhibidores
Existen una serie de sustancias orgánicas e inorgánicas que, a ciertas concentraciones, inhiben o impiden los procesos biológicos.
Este tipo de sustancias, entre las que se encuentran los metales pesados, ejercen un efecto perjudicial sobre los microorganismos encargados de depurar el agua y, por tanto, no deben de entrar en las plantas depuradoras con el agua residual, o si entran deben de hacerlo en concentraciones muy bajas.
Los compuestos tóxicos presentes en el afluente pueden inhibir la actividad microbiana, reduciendo la eficiencia del tratamiento.
Implementar etapas de pretratamiento para remover o neutralizar sustancias tóxicas antes de que el agua ingrese al sistema de fangos activos es crucial. Además, realizar análisis regulares para detectar la presencia de compuestos tóxicos permitirá ajustar el tratamiento en consecuencia.
Características del sustrato
Las características del agua residual determinan la disponibilidad y biodegradabilidad del alimento para la biomasa. Las variaciones en la cantidad y composición de la materia orgánica pueden provocar una sobrecarga o subcarga del sistema.
Un sistema de monitoreo en tiempo real permitirá detectar variaciones en la carga orgánica y ajustar la operación del sistema de manera adecuada.
Además, regular la alimentación de las aguas residuales al reactor biológico ayudará a mantener una carga constante y evitar picos que puedan afectar a la eficiencia del tratamiento.
Parámetros operacionales
Son una serie de parámetros que se han de tener en cuenta a la hora de diseñar la cuba de aireación y el clarificador, siendo a su vez controlados para mantener un óptimo funcionamiento de la planta.
Carga másica
Es la relación que existe entre la carga de materia orgánica que entra en el reactor biológico por unidad de tiempo, y la masa de microorganismos existentes en el mismo.
Se expresa como:
Cm = Q * So / V * X
- Q = caudal.
- So = D.B.O.5 de entrada.
- V = volumen.
- X = sólidos en suspensión volátiles del licor de mezcla (SSV) de la cuba de aireación.
Edad del fango
Es la relación entre la masa de fangos existentes en la cuba de aireación y la masa de fangos en exceso extraídos por unidad de tiempo.
Se expresa como:
E = V * X / Qp * Xp
- Qp = caudal de la purga de fangos.
- Xp = SSV de la purga de fangos (fangos en exceso).
Un desbalance en la edad del fango, ya sea demasiado baja o alta, puede afectar a la eficiencia del tratamiento y la formación de flóculos.
Ajustar la tasa de recirculación de fangos y la purga es esencial para mantener una edad del fango óptima. Esto favorece la formación de flóculos estables y mejora la eficiencia del tratamiento.
Carga volumétrica
Es la relación entre la masa de materia orgánica que entra en el reactor por unidad de tiempo, y el volumen de la cuba.
Se expresa como:
Cv = Q * So / V
Rendimiento
Es la relación que existe entre la masa de materia orgánica eliminada y la del influente que entra en el reactor biológico. Se expresa en %.
R = So - S / So
S = D.B.O.5 de la salida del decantador secundario.
Control de la recirculación de fangos
Cuando este sistema está bien ajustado, la depuradora mantiene un rendimiento estable. Sin embargo, cuando aparecen desequilibrios o fallos operativos, las consecuencias afectan a toda la instalación.
Cuando este sistema no está bien regulado, aparecen problemas que afectan al rendimiento global de la depuradora:
- Pérdida de biomasa activa.
- Disminución de la capacidad de depuración.
- Incremento de sólidos en el agua tratada.
- Problemas de decantación.
- Aparición de olores desagradables.
- Variaciones en los parámetros de calidad del efluente.
Existen distintos factores que pueden comprometer el funcionamiento de la recirculación de fangos:
- Caudales de recirculación mal ajustados.
- Obstrucción en conducciones o equipos de bombeo.
- Acumulación excesiva de fangos.
- Déficit de biomasa en el reactor biológico.
- Cambios bruscos en la carga contaminante de entrada.
- Falta de mantenimiento preventivo de las instalaciones.
Todos estos problemas alteran el funcionamiento de la depuradora y reducen su eficiencia.
Problemas habituales del fango activo
Fango que sedimenta mal
La floculación deficiente, es decir, la formación inadecuada de flóculos, puede dificultar la sedimentación, resultando en una menor calidad del agua tratada y una recirculación excesiva de sólidos.
Optimizar parámetros operativos, como la edad del fango y la relación alimento-microorganismos (F/M), es esencial para mejorar la formación de flóculos.
En algunos casos, el uso de coagulantes y floculantes puede ser necesario para mejorar la sedimentación y la claridad del efluente.
Espumas
La presencia de detergentes y tensioactivos en el agua residual puede causar formación de espuma. Además, el exceso de biomasa filamentosas contribuye a este problema.
Controlar la cantidad de nutrientes en el sistema es fundamental para evitar el crecimiento excesivo de bacterias filamentosas.
Además, aplicar agentes anti-espuma puede ser necesario para controlar la formación de espuma y mantener el proceso en óptimas condiciones.
Señales de desequilibrio
¿Tu fango se asienta mal, notas espumas o una caída repentina del rendimiento? Quizá el problema no está en el oxígeno ni en la recirculación, sino en algo más básico: el equilibrio de nutrientes dentro del proceso biológico.
Si observas flóculos rotos, espuma blanca o un fango “flotante”… ¡revisa tus nutrientes!
Cómo saber si el proceso funciona correctamente
En las imágenes se aprecia una clara separación entre el sobrenadante y la biomasa. El sobrenadante presenta una calidad excelente, cumpliendo con los límites establecidos para vertido a cauce público, lo que refleja una depuración eficaz y una baja presencia de sólidos en suspensión.
La biomasa es espectacular, con una consistencia densa, uniforme y bien floculada - evidencia de un sistema biológico activo y equilibrado.
Este rendimiento tan favorable se atribuye a una óptima relación de nutrientes (C:N:P), que favorece el desarrollo y estabilidad de la comunidad microbiana responsable del proceso de tratamiento.
Las principales señales de un fango activo equilibrado son:
- Fango compacto y decantable (SVI entre 80-120).
- Efluente claro y sin espumas.
- Rendimiento estable de eliminación de DQO, N y P.
- Olor neutro y fango marrón uniforme.
Variables que deben controlarse en la EDAR
Existen una serie de variables que hay que controlar para asegurarnos de que el proceso de fangos activos funciona bien.
Calidad exigida al efluente
La calidad que las autoridades exijan al agua de salida va a determinar tanto el funcionamiento del proceso como el control de este.
Si se requiere un alto grado de tratamiento, el proceso deberá estar muy controlado y probablemente se requiera de un tratamiento adicional.
Dicha calidad deberá ser determinada a través de las analíticas realizadas por el laboratorio.
Características del agua residual
Los caudales y características del afluente se encuentran fuera del campo de actuación del operador, siendo competencia del laboratorio y de las autoridades municipales que controlan los residuos que se vierten en el sistema colector, evitando que determinadas industrias viertan residuos tóxicos para los microorganismos que trabajan en la cuba de aireación.
Cantidad de microorganismos activos
La concentración de biomasa debe mantenerse en equilibrio con la carga orgánica que entra en el reactor. La recirculación conserva parte de los microorganismos en el sistema y la purga evita que se acumule un exceso de fango.
La regulación del caudal de recirculación según el sistema, la limpieza y revisión de bombas y tuberías, el control de la concentración de sólidos en el reactor, el ajuste de los tiempos de retención de fangos y la optimización de los sistemas de aireación permiten corregir desviaciones operativas antes de que afecten al rendimiento global de la instalación.
Por qué es importante mantener el equilibrio
Resolver estos problemas comunes en la explotación de depuradoras biológicas de fangos activos conlleva múltiples beneficios, tales como:
- Mejora de la Calidad del Efluente: Asegura un agua tratada de alta calidad que cumple con las normativas ambientales.
- Mayor Eficiencia Operativa: Reduce los costos operativos y aumenta la estabilidad del proceso de tratamiento.
- Sostenibilidad Ambiental: Contribuye a la protección del medio ambiente mediante un tratamiento de aguas más eficiente y menos contaminante.
Una EDAR no se mantiene solo con aire y bombas: su biología necesita una dieta equilibrada de carbono, nitrógeno y fósforo.
Mantener ese equilibrio aumenta la estabilidad, reduce espumas y bulking y mejora la calidad del vertido.
DEPURADORA BIOLOGICA 30-06-2009
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