Los Sequencing Batch Reactors (SBR) son sistemas de tratamiento basados en fangos activados, operados en una secuencia de ciclos de llenado y extracción, donde los procesos de aireación y sedimentación tienen lugar consecutivamente en el mismo tanque (Mace y Mata-Alvárez, 2002). Los SBR son sistemas flexibles y eficaces, con una buena adaptación a variaciones de contaminantes en el influente (Mace y Mata-Alvárez, 2002; Steinmetz et al., 2002).
Sin embargo, la presencia de aceites y grasas, pH bajos y las disminuciones drásticas en la temperatura, pueden generar situaciones de inestabilidad en los reactores biológicos que favorecen el crecimiento y la proliferación de bacterias filamentosas (principalmente Microthrix parvicella), en detrimento de las bacterias libres floculantes, dando lugar a problemas de bulking y/o foaming (Jiménez, J. et al., 1998).
Estos episodios provocan un esponjamiento de los fangos, causando una acumulación de fangos en la superficie del reactor, con la presencia de una capa que puede generar un aumento puntual de Sólidos en Suspensión (SS) en el efluente durante los primeros minutos del ciclo de extracción para la evacuación de agua tratada, o cuando se produce una aspiración del fango abultado al final del ciclo de extracción.
En la EDAR La Roca del Vallès, gestionada por la administración local del agua del Consorcio Besòs Tordera y operada por Aigües de Catalunya, en la que se daba esta problemática de escapes de sólidos, se ha recurrido a una solución basada en la naturaleza para resolverla.
Los humedales artificiales han demostrado ser sistemas eficaces de depuración de aguas residuales (Jenssen et al., 1993; Vymazal, 2010). Además de caracterizarse por sus efluentes clarificados (Alemu et al., 2016; Benvenuti et al., 2018; Hadad et al., 2006), presentan unos costes energéticos y de operación más reducidos y un menor impacto ambiental que los sistemas convencionales de tratamiento de aguas residuales (Benvenuti et al., 2018; Vymazal, 2010). Los humedales artificiales de flujo superficial con macrófitas en flotación (HMF) además se distinguen por su facilidad de aplicación sobre la superficie de reactores (Torres Junco y Rodríguez, 2005).
Las plantas del género Typha, en concreto la T. domingensis, presentan buenos resultados de eliminación de contaminantes (Hadad et al., 2006) y una buena capacidad de adaptación a distintas condiciones ambientales (Torres-Junco y Rodríguez, 2005; Hadad et al., 2009).
Por ello, en esta EDAR, se ha transformado uno de los reactores SBR en reserva en un HMF, vegetado por T. domingensis, para reducir la concentración de sólidos en suspensión del efluente de los SBR en uso. Esta actuación se ha implementado sin reducir la capacidad de tratamiento de la EDAR, al contar ésta con cuatro reactores biológicos de los cuales, en operación normal únicamente se trabaja con dos de ellos.
El análisis del rendimiento de reducción de SS ha permitido evaluar la eficiencia técnica de este tratamiento de afino económicamente viable y ambientalmente sostenible.
El estudio se ha llevado a cabo durante tres años en la EDAR la Roca del Vallès (Barcelona). La EDAR, en funcionamiento desde abril 2007, da servicio a una población de diseño de 48.000 h.e. Recibe las aguas residuales urbanas e industriales de los municipios de Cardedeu, Llinars del Vallès y una parte de La Roca del Vallès y Sant Antoni de Vilamajor, con un caudal promedio diario de 9.347 m3/día, y entrega las aguas depuradas al río Mogent.
Esta EDAR dispone de 4 reactores SBR, de los cuales están en funcionamiento dos. Cada SBR dispone de un sistema de extracción del agua tratada que consiste en un decanter (flotador hidráulico, Figura 1) que evacúa el agua superficial del reactor hacia la arqueta de salida de la EDAR al río. En episodios de existencia de sobrenadantes en los reactores biológicos, cuando baja el decanter (Figura 2), parte de este sobrenadante puede salir al cauce. También puede darse una aspiración de SS en los últimos momentos de la extracción, cuando hay esponjamiento del fango. Todo esto podría llegar a generar en ocasiones dificultades para cumplir los límites de vertidos de SS, de 80 ppm para muestras puntuales y de 35 ppm para muestras integradas de 24 horas.
Para poder mejorar la calidad del efluente de la EDAR, en uno de los SBR de reserva se ha instalado un HMF, vegetado por T. Domingensis, con una densidad de 20 plantas/m2. Para desviar parte del agua de salida de los dos SBR en uso al HMF ha sido necesario instalar las correspondientes canalizaciones, así como la instalación y automatización de una compuerta de guillotina para la entrada de agua al HMF y una compuerta para la salida de agua del HMF hacia la arqueta de salida de la EDAR. También se han instalado protecciones para los equipos fijos presentes previamente en el reactor (agitadores y bombas).
En lo que respecta a la instrumentación, se instalaron sondas de SS en las arquetas de salida de los reactores biológicos en uso, para detectar cuándo es necesaria la desviación del efluente de los reactores biológicos hacia el HMF. Asimismo, se instaló una sonda de turbidez en la arqueta de salida de la EDAR para controlar la calidad del efluente final que sale al cauce.
El HMF es alimentado por el agua evacuada de los SBR en uso durante los primeros minutos de la extracción del efluente. Asimismo, también se activa la entrada de agua al HMF, cuando las mencionadas sondas de sólidos detectan concentraciones de SS > 10 ppm durante el ciclo de extracción. Una vez en el HMF, el agua pasa a través de las raíces y rizomas de las plantas macrófitas en flotación. Cuando los reactores biológicos están en la fase de sedimentación, empieza la extracción del agua afinada del HMF a través del decanter hacia la arqueta de salida de la EDAR, realizándose también una recirculación interna de fangos hacia cabecera del HMF, para homogeneizar el nivel del fango en el fondo del reactor.
Asimismo, se realiza la monitorización de la altura del fango en el fondo del reactor para controlar su nivel y evitar así su acumulación. En caso necesario se purga fango hacia el espesador. También se controla la transparencia de la columna de agua del reactor con un Disco de Secchi, todo ello con una periodicidad semanal.
El mantenimiento del HMF es reducido y consiste principalmente en el seguimiento periódico del estado de las plantas y la realización de dos tratamientos anuales para la prevención de plagas y un abonado foliar, ya que, al tratarse de un tratamiento terciario, el agua que alimenta el HMF puede tener carencia de nutrientes. En general, no se requiere de poda de las plantas, pero sí un seguimiento de las mismas en los bordes de la estructura, para evitar que la biomasa aérea invada la zona de extracción del agua tratada.
El tratamiento de los datos de las sondas ha permitido obtener resultados de la eficacia del sistema. Se ha determinado la capacidad de captura de SS del HMF (CHMF), calculando la diferencia entre el tiempo de extracción de agua con SS ≥ 35 ppm de los reactores biológicos (S35) y de la EDAR (TB35), respecto al primero:
CHMF = Capacidad de captura de puntas de SS del HMF (%).
S35 = Tiempo de extracción de agua de los reactores biológicos con SS ≥ 35 ppm (minutos).
TB35 = Tiempo de evacuación del efluente de la EDAR con SS ≥ 35 ppm (minutos).
También se ha calculado la ratio (R35) entre el tiempo de extracción del efluente de la EDAR con SS ≥ 35 ppm y el tiempo total de extracción del efluente de la EDAR (TE):
R35 = Ratio entre el tiempo de extracción con SS ≥ 35 ppm respecto al tiempo total de extracción del efluente de la EDAR (%).
TE = Tiempo total de extracción del efluente de la EDAR (minutos).
TB35 = Tiempo de extracción del efluente de la EDAR con SS ≥ 35 ppm (minutos).
Además, se han determinado semanalmente las concentraciones de nitrógeno total (NT) y fósforo total (PT) en la entrada y salida del HMF, siguiendo métodos estandarizados (APHA, 2017).
Debe señalarse que, a pesar de que el HMF está en funcionamiento desde septiembre 2018 (Figura 3), los primeros meses fueron de adaptación, ajuste del sistema y crecimiento de las plantas. Se considera que el sistema alcanzó la madurez suficiente para el afino del agua a partir de junio de 2019, y por ello se han descartado los datos de SS recopilados durante los meses de adaptación.
Con el fin de evaluar la eficacia del HMF se ha realizado una comparativa del tiempo de extracción con SS ≥ 35ppm en el efluente de la EDAR respecto al tiempo total de extracción del efluente de la EDAR, entre el período comprendido entre mayo de 2017 y abril de 2018 (período previo a la instalación del HMF del que se dispone de datos, Tabla 1), y el año 2020 (Tabla 2), cuando el sistema se considera maduro.
Se puede observar que, pese a que la R35 de partida en 2017-2018 era baja (R35 = 0,71%), ha habido una disminución de la R35 en 2020, llegando al 0,12%. Es importante destacar que, en números absolutos, ha habido una reducción del tiempo de extracción con SS ≥ 35ppm superior al 70%, pasando de un total de 1790 minutos en 2017-2018 a 451 minutos en 2020.
Además, es importante destacar que la gestión de la EDAR con el HMF en funcionamiento ha permitido una mayor laminación del efluente final, incrementando en más de 60% el tiempo de extracción durante el año 2020 con respecto al año 2017, lo que es beneficioso para el cauce receptor ya que hay un flujo más constante de agua vertida a cauce, reduciendo el impacto generado por las extracciones intermitentes, características de los SBR.
En lo que respecta a la evolución de la CHMF desde junio de 2019 hasta diciembre de 2020 (Tabla 3), período en el que se trató en el HMF 1.063.677 m3, un 22% del caudal total tratado en la EDAR, los resultados obtenidos indican una alta captura de puntas de sólidos, en concreto del 96%. Además, conforme aumenta la madurez del sistema, mayor es el valor de CHMF, pasando del 92% en 2019 al 98% en 2020.
Como se puede observar en las tablas 2 y 3, durante los últimos meses de 2020, desde septiembre hasta diciembre, no hubo ninguna punta de SS ≥ 35ppm (TB35=0).
Resulta interesante también mostrar el análisis estacional de los resultados obtenidos (Figura 5), ya que en invierno y otoño hay mayor frecuencia de episodios de poca compactación de los lodos de los SBR, debido a una mayor proliferación de bacterias filamentosas por la disminución de la temperatura ambiental.
El análisis estacional muestra una reducción de la R35 durante todas las épocas del año, pero debe destacarse especialmente la disminución de la R35 durante los meses de otoño, pasando del 1,54%, previamente a la implantación del HMF, al 0,03%, con el HMF en pleno funcionamiento (sistema maduro).
Además, a pesar de las bajas cargas de nutrientes recibidas, el HMF también es capaz de reducir las concentraciones de NT y PT, asociadas principalmente a los SS, en el efluente final, con valores de eliminación medios, respecto a las concentraciones de entrada al HMF, del 30% en el caso del NT y el 56% para el PT, en el año 2020.
Energéticamente, el consumo total medio del funcionamiento del HNF es inferior a 10 kWh al día. Este consumo es el relativo a las compuertas automáticas, las bombas de extracción, la recirculación de fangos y una pequeña aireación puntual para homogenizar la capa de fangos en el fondo del reactor. Esto supone solamente un 0,3% aproximadamente del consumo total de la EDAR.
En resumen, el HMF ha permitido dar una respuesta exitosa al reto planteado de mejora del aseguramiento de la calidad del efluente de la EDAR. En este sentido, a pesar de que la ratio (R35) entre el tiempo de extracción con SS ≥ 35 ppm respecto al tiempo total de extracción del efluente de la EDAR era baja, el HMF en su período de funcionamiento maduro ha logrado reducir considerablemente dicha ratio.
Además, hay una buena tendencia en el funcionamiento del HMF, aumentándose la capacidad de captura (CHMF) de puntas de SS en 2020 respecto a 2019. Pese a que el objetivo principal del HMF es amortiguar las puntas de SS en el efluente de la EDAR, también se ha observado una reducción de las concentraciones de nutrientes (NT y PT) en el efluente del HMF. Por lo tanto, el HMF contribuye a una mejora del sistema de eliminación de nutrientes.
El HMF es una solución basada en la naturaleza y con costes de mantenimiento y energéticos bajos. Es un sistema funcional, reversible y adaptado a la instalación existente y a los recursos disponibles.
El reto futuro es seguir profundizando en los procesos fisicoquímicos y bioquímicos de todo el sistema HMF para seguir implantándolo en otras instalaciones.
Los autores expresan su agradecimiento a Diego Rey, de la empresa Arcadia Ingeniería, por su asesoramiento técnico y ayuda.
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