Uno de los principales objetivos en el tratamiento de aguas es conseguir la máxima eficiencia en la depuración. ¿Alguna vez se ha preguntado por qué la relación entre Materia Orgánica biodegradable y Microorganismos activos de la degradación (MO/M) parece coincidir con el rendimiento del tratamiento? MicroPlanet le invita a leer sobre el uso de la ATPmetría para medir la ratio MO/M en plantas de tratamiento.
En el siguiente artículo, correspondiente a la edición de octubre de 2019 de la revista WE&T de la Water Environment Federation, se explica cómo se utilizaron los análisis de ATP de 2ª generación de LuminUltra para ayudar a determinar la relación MO/M real y óptima en una depuradora.
Los nuevos métodos en la determinación de la correcta relación Materia Orgánica/Microorganismos minimizan la necesidad de otras mediciones
La ratio Materia Orgánica/Microorganismos (MO/M) como un parámetro de control de proceso, ha sido ampliamente utilizado para supervisar y dar servicio a las plantas de lodos activos. Los operadores utilizan la ratio MO/M (F:M, Food: Microorganisme) para ajustar la biomasa según sea necesario para optimizar la oxidación del material orgánico en las aguas residuales entrantes.
Se han establecido pautas generalmente aceptadas para los valores de MO/M para aplicaciones municipales e industriales basadas en parámetros equivalentes. Sin embargo, estos valores de cálculo se han interpretado o ajustado libremente según las condiciones específicas del lugar de medición.
Los avances tecnológicos actuales permiten medir la “verdadera” ratio MO/M, o ratio real, utilizando concentraciones de carbono orgánico disuelto (DOC) y trifosfato de adenosina (ATP, como molécula portadora de energía presente en todos los organismos vivos). Es decir, las mediciones alternativas tradicionales, como la demanda biológica de oxígeno (BOD), la demanda química de oxígeno (COD) y los sólidos en suspensión volátiles en licor mezcla (MVLSS), dejan de ser necesarios.
La alternativa es el uso de mediciones rápidas, seguras y más precisas, que ayudan en el control de procesos a tomar decisiones con celeridad. Eliminar la necesidad de mediciones sustitutivas reducirá la dependencia de líneas de base específicas del sitio.
Eliminar la necesidad de análisis adicionales puede reducir la dependencia de líneas de base específicas de cada sitio.
Teoría MO/M
Tradicionalmente, la parte de materia orgánica de la relación MO/M se ha calculado como BOD o, quizás con mayor precisión, la demanda de oxígeno biológico carbónico (CBOD). La COD y la COD soluble también han servido como sustitutos habituales de los valores de BOD.
La biomasa realmente activa, es decir, la parte de microorganismos de la ratio MO/M, se ha calculado convencionalmente como los sólidos en suspensión en el licor mezcla (MLSS) o como los sólidos volátiles en suspensión en el licor mezcla (MLVSS).
Esta falta de consistencia, junto con las ratios altamente variables de biomasa acrtiva respecto a los sólidos, y al efecto del muestreo específico en puntos concretos, dan resultados de MO/M que tradicionalmente varían de 0.2 a 0.6 kg de BOD por kilogramo de MLSS/d.
En resumen, conseguir concretar valores aceptables y de Materia Orgánica y Microorganismos es complicado y presenta inconvenientes significativos inherentes. Como los propios nombres de los parámetros indican, BOD y CBOD miden el consumo biológico de oxígeno, que luego se correlaciona con la cantidad de Materia Orgánica presente en una determinada masa de agua.
Además, estos análisis tardan 5 días en completarse y están sujetos a numerosas interferencias que causan resultados inexactos e imprecisos.
Estas limitaciones hacen que el indicador MO/M sea difícil de utilizar en la toma de decisiones a tiempo real, en procesos de tratamiento, particularmente en instalaciones de recuperación de recursos hídricos que experimentan cargas orgánicas muy fluctuantes. En tales condiciones, estas instalaciones requieren un tiempo de retroalimentación mucho más rápido para realizar ajustes de proceso basados en la MO/M.
Al igual que la BOD, la COD y la COD soluble, miden el consumo de oxígeno en lugar de determinar directamente la carga de carbono en el sistema. A diferencia del proceso de medición de la BOD que tarda varios días, la COD se puede determinar en horas. Sin embargo, la COD no diferencia entre compuestos biodegradables y no biodegradables. Por esta razón, el método puede incluir compuestos inorgánicos oxidables añadidos, lo que conduce a resultados inexactos. Además, la prueba de DOC utiliza y requiere la eliminación de productos químicos peligrosos.
MLSS y MLVSS también presentan problemas para determinar la MO/M. Debido a que incluyen biomasa activa y muerta en la medición, así como otros materiales inertes no biológicos, las mediciones de los niveles de biomasa activa con estos indicadores no ofrecen resultados óptimos.
Por ejemplo, la porción biológicamente activa de los sólidos en suspensión fluctúa considerablemente en función de la disponibilidad de materia orgánica. Por lo tanto, una reducción en la materia orgánica disponible daría como resultado una disminución en la biomasa activa debido a la escasez de sustrato. Sin embargo, MLSS y MLVSS permanecerían constantes porque la biomasa muerta continuaría formando parte de la medición.
Nuevas herramientas y nuevo enfoque
Los recientes avances tecnológicos han facilitado un nuevo enfoque para determinar el cociente MO/M midiendo las concentraciones de DOC y ATP. Se han realizado mejoras en la medición de carbono orgánico total y DOC con el fin de determinar la carga orgánica real en un sistema de lodo activado. Otra mejora clave implica el uso de ATP celular (cATP) para calcular el componente vivo real de la biomasa.
Estos avances en la medición de DOC y cATP han hecho más práctico el cálculo de la verdadera MO/M. Ambos componentes se pueden medir rápidamente, en menos de 10 minutos, y representan mejor los parámetros reales del proceso: materia orgánica y microorganismos.
En un caso de estudio realizado por los autores, el TOC y el DOC se midieron mediante un analizador de última generación que utiliza tecnología de oxidación de agua supercrítica, en la que las muestras se someten a alta presión y a alta temperatura. Debido a que elimina la suciedad del analizador que generalmente se asocia a los instrumentos utilizados para medir el carbono orgánico dentro de las aguas residuales y el agua de proceso, la tecnología de oxidación de agua supercrítica evita la contaminación residual de una medición a la siguiente.
Gracias a que mide directamente el contenido orgánico, el DOC representa el alimento potencial en una corriente de agua. En comparación con la COD, el DOC ofrece varias ventajas potenciales incluidas:
- la oxidación precisa, exacta y completa,
- la cuantificación de toda la materia orgánica,
- capacidades de medición continua online,
- y sin interferencias conocidas.
En una prueba de repetitividad y reproducibilidad del analizador con casi 1000 mediciones de verificación de calibración, el sistema mostró un porcentaje relativo de desviación estándar de menos del 3%.
ATPmetría para medir la ratio MO/M en plantas de tratamiento
Como se señaló anteriormente, el ATP es el portador de energía en todos los organismos vivos; por lo tanto, la cuantificación de cATP (ATP intracelular) mide directamente la biomasa activa. Para el caso de estudio, los autores realizaron diversos análisis utilizando la tecnología de detección de ATP (disponible comercialmente), diseñada específicamente para el análisis de aguas residuales.
Esta tecnología utiliza una enzima, la luciferasa, para producir una respuesta bioquimioluminiscente que se puede medir por medio de un luminómetro de sobremesa. Este análisis lleva solo unos minutos y no requiere cultivo, incubación de la muestra o entrenamiento técnico específico por parte del operario. El análisis se hace directamente de la muestra, sin necesidad de preparación previa.
Esta tecnología de análisis rápido puede medir por separado tanto el cATP contenido en organismos vivos (como índice de biomasa activa en nuestro reactor), como el ATP disuelto (dATP) que está asociado a la biomasa muerta y moribunda (liberado por las células al romperse su membrana). Disponer de estos dos parámetros permite a los operadores determinar la cantidad de biomasa activa y el nivel de estrés que se presenta (como dATP).
Para los cálculos de MO/M, el valor cATP (expresado como ng/mL) se convirtió en sólidos suspendidos volátiles activos (AVSS) medidos como mg/L según los factores de conversión establecidos.
(Nota de MicroPlanet: si quiere conocer con más detalle el funcionamiento de los análisis ATP2G® consultes nuestros posts al respecto).
El cálculo de la MO/M en la práctica
El caso de estudio incluyó una instalación convencional de tratamiento de lodos activados con nitrificación. Los procesos de tratamiento consisten en la flotación del aire disuelto, bioreactores de lodos activos con múltiples flujos de pistón, y aclarado posterior.
Figura 1. Nuevo protocolo Mo/M
Este gráfico muestra la eliminación de carbono orgánico disuelto (DOC) en función de la relación Materia orgánica/Microorganismos (MO/M), calculada usando DOC y sólidos suspendidos volátiles activos (AVSS). Nota: los datos con MO/M>2.0 se omitieron para la escala (n = 4). La curva se ajustó mediante regresión BAJA con un intervalo de confianza del 95%.
Se revisaron y analizaron datos de proceso que cubren un período de 12 meses (mayo de 2018 a abril de 2019). COD, DOC, MLSS y cATP se midieron diariamente, junto con un conjunto completo de otros parámetros, que incluyen amoníaco, nitritos, nitratos, conductividad, pH y oxígeno disuelto.
Gracias a este nuevo método para determinar la ratio MO/M no son necesarias mediciones alternativas anticuadas e ineficaces.
Las Figuras 1 y 2 muestran la relación entre la MO/M y el rendimiento del tratamiento. La Figura 1 muestra el nuevo protocolo MO/M que se calculó sobre la base de la relación de DOC y AVSS (DOC/AVSS). Por el contrario, la Figura 2 muestra el protocolo convencional, que se calculó sobre la base de la relación de BOD y MLSS (BOD/MLSS). La BOD se estimó como el 70% de la concentración de COD.
Se esperaba un bajo rendimiento del tratamiento con valores MO/M por debajo y por encima de un rango óptimo previamente indefinido. A una MO/M baja, es decir, inferior al rango óptimo, la biomasa se impulsa hacia la respiración endógena, lo que reduce el rendimiento del tratamiento. A una MO/M elevada, es decir, mayor que el rango óptimo, existe biomasa insuficiente para consumir la materia orgánica.
Figura 2. Protocolo MO/M convencional
Este gráfico muestra la eliminación de la demanda bioquímica de oxígeno (BOD) en función de la relación MO/M, calculada usando BOD y sólidos suspendidos en licor mezcla (MLSS). Nota: los datos con MO/M>0,80 se omitieron para la escala (n = 5). La curva se ajustó mediante regresión LOWESS con un intervalo de confianza del 95%.
El nuevo protocolo en el que la ratio DOC/AVSS determinó la MO/M pudo replicar esta observación. El rango óptimo parecía ser de 0.5 a 0.9 kg de DOC por kilogramo de AVSS por día. Dentro de este rango, la eliminación promedio de DOC fue del 90% ± 3% (n = 148). Las eficiencias de eliminación cayeron por debajo del 85% cuando se observaron mediciones más allá de este rango óptimo.
Este nivel de mejora del proceso puede no parecer significativo. Sin embargo, al examinar las desviaciones estándar y desarrollar una línea de regresión utilizando la herramienta “análisis de regresión de suavizado de diagrama de dispersión ponderado localmente” (locally weighted scatterplot smoothing: LOWESS), se hace evidente que dentro del rango MO/M óptimo, los rendimientos de eliminación del tratamiento de lodo activado fueron altamente estables y predecibles.
Por el contrario, fuera del rango óptimo, el rendimiento del tratamiento es más variable, con un rango de posibles resultados significativamente más amplio.
Como se muestra en la Figura 2, la relación entre el MO/M y el rendimiento del tratamiento fue menos evidente cuando se usó el protocolo MO/M convencional, basado en la ratio BOD/MLSS. Este enfoque no encontró un rango estable y óptimo, y el intervalo de confianza fue mucho más amplio.
Usando el protocolo MO/M para mejorar el proceso
Para comprender mejor cómo este protocolo MO/M podría usarse para mejorar el control del proceso y aumentar la eficacia del tratamiento, se examinaron dos períodos de tiempo MO/M subóptimos.
En el primer período (24 de mayo de 2018 al 25 de junio de 2018), no se tomaron medidas para corregir la relación MO/M. Mientras que en el segundo período (6 de julio de 2018 a 9 de agosto de 2018), se tomaron medidas rápidamente para corregir la relación MO/M.
Figura 3. Período nº 1 – Resultados del tratamiento
Muestra la eliminación de la relación MO/M y la eliminación del carbono orgánico disuelto (DOC) durante un período con una relación subóptima de MO/M y sin intervención del proceso. El área gris representa el rango óptimo de MO/M.
Las Figuras 3 y 4 representan las condiciones que prevalecieron durante el primer período estudiado. Durante este período, se hicieron las siguientes observaciones:
- 4 de junio de 2018: Se registró una medición subóptima de MO/M (0.4 kg de DOC por kilogramo de AVSS por día).
- 6 de junio de 2018: La carga de la DOC en la instalación disminuyó progresivamente, al tiempo que la eliminación de la DOC disminuyó del 86% al 63%. El MO/M permaneció subóptimo a medida que disminuyó la carga de DOC; AVSS y MLSS se mantuvieron bastante constantes.
- 20 a 25 de junio de 2018: La carga de DOC a la instalación aumentó rápidamente, lo que permitió a la MO/M volver a la zona óptima. La eliminación de la DOC volvió al nivel basal.
Durante este período no se realizaron cambios en el proceso para reducir la población de microorganismos (medida por los AVSS) en el sistema. Esta no intervención, junto con la disminución de la carga de DOC, dio como resultado relaciones MO/M subóptimas y una eliminación deficiente de la DOC.
Figura 4. Período nº 1 – Condiciones del proceso
Muestra las condiciones del proceso durante un período con una relación subóptima de materia orgánica a microorganismos (MO/M) y sin intervención del proceso. DOC = dissolved organic carbon. MLSS = mixed liquor suspended solids. AVSS = active volatile suspended solids.
Estos resultados fueron causados probablemente por una deriva hacia la descomposición endógena. El sistema se corrigió por sí mismo, sin intervenciones en el proceso, a medida los niveles de DOC entrante aumentaron rápidamente, volviendo a los niveles anteriores.
Las figuras 5 y 6 ilustran el segundo período. Inicialmente se hicieron observaciones similares a las del primer período: se observó un valor bajo de MO/M a medida que la carga de DOC disminuía rápidamente.
Figura 5. Período No. 2 – Resultados del tratamiento
Muestra los resultados cuando una relación MO/M subóptima desencadena una intervención de proceso (MLSS y AVSS reducidos). El área gris representa el rango óptimo de MO/M.
De cualquier modo, el nivel subóptimo de MO/M durante el segundo período desencadenó una respuesta. Se redujeron las tasas de retorno de los lodos activados, reduciendo las concentraciones de AVSS y MLSS. Este cambio compensó la reducción de la carga de DOC, corrigiendo rápidamente la MO/M.
El rendimiento de eliminación de DOC refleja estas acciones. En comparación con el primer período, la eliminación de DOC funcionó mejor, cayendo por debajo del 80% durante menos de 5 días y nunca por debajo del 77%.
Figura 6. Período No. 2 – Condiciones del proceso
Muestra las condiciones del proceso durante un tiempo en que una relación subóptima de MO/M desencadenó una intervención del proceso que incluyó sólidos suspendidos de licor mezcla reducido (MLSS) y sólidos suspendidos volátiles activos (AVSS).
Beneficios de los nuevos avances
El protocolo rápido que hemos descrito, basado en la ratio MO/M, presenta varias ventajas frente a los parámetros MO/M tradicionales. El DOC demostró ser un buen indicador de la materia orgánica que ingresa al sistema de tratamiento.
La capacidad de medir DOC de forma rápida y precisa utilizando un sensor online supone una clara mejora para la medición de BOD y COD. El AVSS, cuantificado por los valores de cATP, proporcionó una representación mucho más precisa del contenido microbiano del sistema de tratamiento en relación con el MLSS.
Con el uso de AVSS, se estableció un rango óptimo de MO/M en torno a los 0.5 – 0.9 kg de DOC por kilogramo de AVSS por día. Por el contrario, no se encontró una relación clara entre la eliminación de la BOD y el método convencional para determinar la MO/M por medio de la eliminación de BOD/MLSS.
Este nuevo método para determinar el MO/M permite obviar anticuadas e ineficaces mediciones alternativas. Al comprender el efecto que la ratio MO/M tiene en el rendimiento del tratamiento, los operadores pueden optimizar su proceso de manera rutinaria y a tiempo real, reduciendo la probabilidad y la duración de las alteraciones del proceso, y disminuyendo la variabilidad del tratamiento.
A largo plazo, tales mejoras pueden disminuir los costos operativos asociados con la resolución de problemas y la optimización de los bajos rendimientos en el tratamiento. Y, potencialmente, evitar la necesidad de aumentar la inversión de capital a medida que la capacidad de las instalaciones se expande a través de los procesos rutinarios de optimización.
Esperamos que este artículo haya resultado de su interés y ampliado su conocimiento sobre los diversos usos de la ATPmetría para el control y tratamiento de aguas. No dude en ponerse en contacto con nosotros si necesita más información.
[Traducción del artículo “Technological advances in determining the true food-to-microorganism ratio obviate the need to measure surrogates”, de Dave Mason, Laura Watson, Jesse Forth y Jordan Schmidt, publicado en el volumen 31 / número 10 de WE&T, octubre 2019.
Sobre los autores: Dave Mason es ingeniero senior y asesor de operaciones y mantenimiento, Laura Watson es ingeniera senior para aplicaciones de clientes y Jesse Forth es gerente global de productos para los mercados industriales y ambientales de InnovOx para SUEZ Water Technologies & Solutions (Trevose, Pa.). Jordan Schmidt es Gerente de Aplicaciones de LuminUltra Technologies Ltd. (Fredericton, New Brunswick, Canadá)].