La construcción de una mejor trampa para nutrientes

La instalación del norte de Carolina optimiza su proceso de remoción de nutrientes biológicos.

Pete Goins, Dave Parker, Chris deBarbadillo, and Cindy Wallis-Lage

La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales McDowell Creek es una de las cinco

plantas de tratamiento de aguas residuales que pertenecen y operan por la empresa

Charlotte-Mecklenburg Utilities (CMU, Charlotte, Carolina del Norte), que proporciona

servicios de agua potable y alcantarillado a la zona metropolitana de Charlotte.

Localizada al noroeste de la ciudad en la zona rural del Condado de Mecklenburg, la

planta McDowell opera al tanto del rápido crecimiento de las ciudades de Huntersville,

Davidson, y Cornelius. Está situado en una zona histórica del condado, cerca de una casa

de plantación que se remonta a principios de la década de 1800 y un parque que

engloba 2200 acres (890 hectáreas) de reserva para la vida silvestre. La planta fue

construida en 1980 con una de 3 mgd (11.400 m3/d), conteniendo una instalación de

lodos activados de dos etapas. Fue ampliado a 6 mgd (22.800 m3/d) en 1999 y tuvo un

mejoramiento en la eliminación biológica de nutrientes (BNR) para proteger la calidad

del agua en McDowell Creek así como la montaña “Island Lake”, una de las fuentes de

agua potable de Charlotte. En los últimos años, el personal de la planta ha mejorado el

rendimiento del proceso de BNR y la reducción de los costos de operación. Además, la

planificación actual de expansión permitirá CMU para satisfacer las necesidades de la

creciente población del área de servicio.

La planta mejorada fue diseñada para funcionar en uno de los procesos más severos de

BNR de tres etapas para la eliminación del nitrógeno total (NT) y fósforo total (PT),

incluyendo los procesos de el “agua naranja” de la universidad de Cape Town, la

autoridad de alcantarillados (OWASA) de Charlotte, norte de Carolina. Otras unidades de

tratamiento incluyen las instalaciones de tratamiento preliminar, clarificadores

primarios, filtros de desnitrificación de lechos profundos, desinfección ultravioleta, y la

aireación en cascada. Lodos activados de residuos primarios y (WAS) se digieren

anaeróbicamente y se deshidratan con un filtro de prensas de correa. Otras mejoras a la

planta se han realizado durante las fases posteriores de construcción, incluyendo la

puesta en marcha de espesantes de cinturón de gravedad para (WAS) en julio de 2002

(véase la Figura I, a continuación).

Optimización para la eliminación de fósforo:

Entre 1999 y 2002, el personal de la planta experimento varios modos de BNR para

optimizar proceso de eliminación de fósforo de la instalación. Aunque se encontró

fácilmente un límite de TN de la planta de 10 mg/L se determino que inicialmente para

lograr una confiable la eliminación biológica de fósforo era muy difícil.

McDowell experimentó varios desafíos operativos relacionados con el rendimiento del

proceso de eliminación de fósforo, incluyendo relativamente el agua "fresca" de

alcantarillados (no hay ácidos grasos volátiles, o VFA), altos amoniacos y los niveles de

fósforo en la corriente de filtrados de deshidratación, y la sedimentación de (WAS) con

lodo primario antes de la instalación del equipo de espesado. Sin embargo, una

combinación óptima de adición química, deshidratación equilibrado de filtrado, y el uso

de una fuente de carbono suplementario única ha permitido la instalación mantener

una concentración de fósforo efluente promedio de 0.2 mg/l durante casi 3 años.

Efecto de filtrado de deshidratación y sedimentación de WAS en clarificadores

primarios:

Una mejora en las operaciones se relaciona con el uso de la instalación de digestores

anaeróbicos para la reducción de sólidos y estabilización de bio-sólidos. El filtrado

producido durante la deshidratación de los sólidos digeridos se devuelve al afluente de

la planta. Debido a que la deshidratación es realizada un turno por día, de lunes a

viernes, la planta inicialmente experimenta altos picos de fósforo en el proceso BNR

porque el filtrado tiene un tiempo relativamente corto. Ya que los operadores han

igualado la carga de fósforo adicional al dirigir el filtrado a una cuenca de equilibrio y de

bombeo de nuevo a la planta durante un período de 24 horas. La carga de fósforo a

partir del filtrado de equilibrio aumenta el TP efluente primario en un promedio de 2 a

3 mg/L.

Figura 1. Esquema de la planta de tratamiento de McDowell Creek.

Antes de separar las instalaciones (WAS) Espesantes que fueron construidas en julio de

2002, los operadores tuvieron que resolver el (WAS) con el agua residual influente en

los clarificadores primarios antes de dirigirlos a los digestores. Las eficiencias de

remoción de sólidos en los clarificadores primarios fueron tan altas como 79%. Sin

embargo, debido a que los sólidos secundarios que contienen organismos con fosforo

acumulados se mezclaron con el agua residual afluente, lo más probable que ocurrió fue

la captación de material de carbono biodegradable que consecuentemente libero orto -

fosforo, aumentando aún más la concentración de fósforo efluente primario por 3 a 5

mg/L.

La optimización de las dosificaciones químicas:

McDowell tiene muy poco VFA en el agua residual influente, por lo que los operadores

deben complementar VFA añadiendo ácido acético o de otra fuente a las zonas

anaeróbicas al sistema BNR. Teniendo en cuenta el impacto de las altas cargas de

fósforo, pero el proceso BNR se realiza bastante bien; sin embargo, el efluente TP del

sistema BNR periódicamente está por encima de 1 mg/L a pesar de la adición

significante de ácido acético. Durante estos períodos, el alumbre se dosificó a los

clarificadores secundarios para eliminar adicionalmente el fósforo. Para optimizar el

rendimiento y reducir los costos operativos, personal de la planta experimento con la

dosificación química, incluyendo:

Figura 2. Niveles de efluente total de fosforo (TP) en McDowell Creek

Más ácido acético a las zonas anaeróbicas para mejorar aún más la eliminación

biológica de fósforo

Alumbre a los clarificadores secundarios para el pulido de fósforo residual,

Alumbre a los clarificadores primarios para reducir la carga exceso de fósforo de

aguas arriba del proceso de BNR

Productos químicos a los lodos digeridos y filtrado de deshidratación para

precipitar el exceso de fósforo.

El personal de la planta encontró que para reducir la carga de fosforo del filtrado y

(WAS), añadieron aproximadamente 300 gal/d (1.135 L/d) con 49% de solución de

alumbre a los clarificadores primarios y se determino que fue una solución económica

y operativamente fiable (ver Tabla 1, a continuación). Esto redujo el TP efluente

primario a más de 10 mg/L a aproximadamente 6 mg/L.

Una alternativa agradable:

Aunque la solución de ácido acético de 20% utilizado para complementar VFA en las

zonas anaerobias era un subproducto de fabricación farmacéutica, que representaba un

coste químico significativo. Para reducir los costos, CMC decidió probar un producto de

desecho de agua de azúcar de una planta embotelladora de refrescos local como una

alternativa para el VFA. La planta embotelladora habría descargado a otra planta de

tratamiento de aguas residuales en Charlotte, pero CMU y el embotellador trabajaron

juntos para desarrollar una solución de beneficio mutuo. El agua de azúcar de residuos

es bajo en sólidos en suspensión y la demanda de oxígeno (BOD) con un contenido

bioquímico varía de entre 40.000 a 130.000 mg/L con un promedio 80.000 mg/L.

Desde noviembre del 2000 a febrero del 2001, el agua de azúcar se puso a prueba en

una planta de tratamiento a escala completa, mientras que la dosificación de ácido

acético se continuó en la segunda prueba de tratamiento. Se observaron resultados

operativos iguales en los dos productos químicos.

Tabla 2. Límites permitidos especulados en McDowell Creek Flujo 9.0 mgd 12.0 mgd

CBOD₅(Verano) 4.2 mg/L 4.2 mg/L

CBOD₅ (Invierno) 8.3 mg/L 8.3 mg/L

Total de residuos en suspensión 12 mg/L 9 mg/L

Nitrógeno - amoniaco 1.0 mg/L 1.0 mg/L

Nitrógeno total (Verano)

450 lb/d 450 lb/d

(6 m11/L Flujo permitido)

(4.5 m11/L Flujo permitido)

Nitrógeno total (Verano)

500 lb/d 500 lb/d

(6.6 m11/L Flujo permitido)

(5 m11/L Flujo permitido)

Fosforo total (Verano)

22 lb/d 27 lb/d

(0.29 m11/L Flujo permitido)

(0.27 m11/L Flujo permitido)

Fosforo total (Invierno)

27 lb/d 32 lb/d

(0.36 mg/L Flujo permitido)

(0.32 mg/L Flujo permitido)

Tabla 1. Comparación de la dosificación química y el costo por la remoción de fosforo en McDowell Creek

Lugar de dosificación Químicos Cantidad (Gal/día) Costo ($/día)

Basado

Zonas anaeróbicas Ácido Acético

1200 a 2400 985 Prueba a escala total

Efluente liquido mezclado BNR Alumbre 400 125 Prueba a escala total

Afluente de la planta Alumbre 300 93 Prueba a escala total

Filtros de deshidratación Alumbre 200 62 Prueba de la Jarra

McDowell ha usado el agua con azúcar de residuos en ambos plantas de tratamiento

durante más de 2 años con excelentes resultados. La dosis de agua de azúcar actual es

2.900 gal/d (11.000 L/d). A veces, el suministro de agua de azúcar disponible no

satisface el requisito de VFA total en la planta, por lo que el balance se crea mediante

ácido acético como requisito. Los ahorros anuales netos son de aproximadamente

150.000 dólares.

La calidad del efluente:

La planta McDowell Creek ha superado algunos problemas operativos de eliminación de

fósforo únicos y produce consistentemente un efluente de excelente calidad. Aunque la

planta opera con filtros de lecho profundo, donde no hay ninguna adición química en el

influente del filtro, y el efluente secundario y la calidad del efluente final son similares.

La DBO del efluente y el total de sólidos suspendidos tiene concentraciones

consistentemente promedio de menos de 2 mg/L y los promedios TN efluentes

aproximadamente 6 mg/L. El TP de efluentes ha estado muy por debajo del límite

permitido de 1 mg/L por mes, con un promedio de menos de 0.26 mg/L entre julio del

2000 y junio del 2001 y menos de 0,14 mg/L entre julio de 2001 junio de 2002 (véase la

Figura 2).

En reconocimiento a su éxito, la planta obtuvo premios de plata de la Asociación de

Metro-politan Sewerage agencies (AMSA, Washington, DC) en 1999 y 2000 y una

medalla de oro en el 2001 - y es elegible para otro premio de oro AMSA para 2002.

La expansión Protección de la Calidad del Agua:

El rápido desarrollo y el crecimiento de la comunidad está aumentando

significativamente los flujos hacia la planta McDowell Creek. Una local zonificación

establece que la planta de tratamiento de aguas residuales existente puede ser

ampliada, pero la carga contaminante descargada de la planta no puede aumentar desde

1993 los niveles y no hay nuevas plantas de tratamiento de aguas residuales

construidas. Ante una necesidad de expansión, CMU está trabajando para ampliar la

planta de tal forma que para atender las necesidades de la comunidad para el futuro y

proteger la calidad del agua en McDowell Creek.

La planta se ampliará en incrementos de 3 mgd (11.400 m3/d): primero en 9 mgd

(34.100 m3/d), y luego a 12 mgd (45.400 m3/d), y potencialmente hasta 24 mgd

(91.000 m3/d). Para habilitar la planta para cumplir de manera consistente y fiable de

los límites nitrógeno y fósforo reducidos, las nuevas plantas de tratamiento incluyen un

proceso de cinco etapas BNR, instalaciones para la adición de agua con azúcar y otros

productos químicos y el monitoreo de nutrientes en línea.

Los planes de expansión incluyen una estación bombeo de reutilización para utilizar el

efluente tratado para riego y otros usos permitidos. El proceso de tratamiento incluye la

reutilización de filtración de membrana para garantizar agua de reutilización de alta

calidad. Cuando el suministro de la membrana filtrada de agua supera las exigencias de

reutilización, el superávit se mezcla con el resto del efluente de la planta para mejorar la

calidad de las descargas a McDowell Creek.

El diseño de la expansión esta casi completa, y el proyecto está experimentando lo que

lleva permitido. El modelado de la amplia la calidad del agua se ha llevado a cabo para

evaluar las condiciones futuras en McDowell Creek y Montaña “Island Lake”, y CMU

trabaja con el Departamento de Recursos Naturales de Carolina del Norte para

desarrollar límites permitidos que protejan la calidad del agua y cumplan con la

zonificación local. Los límites de efluentes especulativos resultantes son de las más

estrictos en el estado (véase la Tabla 2, más arriba). Se espera que la construcción

comience el próximo año.

“Pete Goins es el superintendente de la planta de Tratamiento de Aguas Residuales

McDowell Creek, Charlotte-Mecklenburg Utilities (Charlotte, NC). Dave Parker, P.E, es un

director de proyecto y Chris de Barbadillo, P.E, es un ingeniero de procesos en la oficina

de Charlotte Black & Veatch Corp. (Kansas City, MO). Cindy Wallis-Lage, P.E, es la

directora de tratamiento de aguas residuales de la División de las Américas de Black &

Veatch (Kansas City).”

Resumen

La planta de tratamiento de aguas residuales de McDowell Creek es una de la planta que

ofrece un servicio de agua potable y alcantarillado a la zona metropolitana de Charlotte,

la cual está localizada al noreste de la ciudad en la zona rural del condado de

Mecklenburg. Fue construida en 1980 con una capacidad de 3mgd conteniendo una

instalación de lodos activados de dos etapas, luego fue ampliada a 6 mgd en 1999 en

donde tuvo un mejoramiento para la eliminación biológica de nutrientes (BNR) para

proteger la calidad del agua en McDowell Creek y la montaña isla lago o “island Lake”

que es una de principales fuentes de agua potable. Fue mejorada para funcionara con

unos de los procesos más severos de BNR de tres etapas para la eliminación del

nitrógeno, fosforo y “Orange wáter o Agua Naranja”, además incluyen otras unidades de

tratamiento preliminar, consta de clarificadores primarios, filtros de desnitrificación de

lechos profundos, desinfección ultravioleta y la aireación en cascada.

La instalación se ha resaltado en tener una combinación óptima de adición química,

deshidratación equilibrado de filtrado, y el uso de una fuente de carbono suplementario

que ha permitido mantener una concentración de fósforo efluente promedio de 0.2 mg/l

durante casi 3 años. Sin embargo el agua de la planta de McDowell Creek tiene muy

poco VFA en el influente por lo que los operadores deben completar el VFA añadiendo

ácido acético al sistema de BNR, pero el TP efluente está por encima de 1 mg/L a pesar

de la adición de ácido acético. Además se dosifico alumbre en los clarificadores

secundarios para eliminar el fosforo.

El personal de McDowell Creek encontró una solución más agradable en cuanto a la

utilización de químicos en el agua y esta fue el uso de un agua azucarada proveniente de

una planta embotelladora de refresco local en donde se observaron resultados

operativos muy parecidos a los que tenían productos químicos. McDowell ha utilizado

esta agua azucarada por más de 2 años con excelentes resultados y con un ahorro neto

aproximadamente de 150,000 dólares.

Debido al rápido desarrollo y el crecimiento de la comunidad la planta de tratamiento

está trabajando en ampliar sus instalaciones de tal formar que puedan atender las

necesidades futuras y proteger la calidad del agua en McDowell Creek. La planta se

ampliará en incrementos de 3 mgd (11.400 m3/d): primero en 9 mgd (34.100 m3/d), y

luego a 12 mgd (45.400 m3/d), y potencialmente hasta 24 mgd (91.000 m3/d). Los

trabajos de expansión se llevaran a cabo con el departamento de recursos naturales de

Carolina del Norte para desarrollar límites permitidos que protejan la calidad del agua.

Palabras Claves

1. La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales McDowell Creek

2. Procesos de BNR(Remoción de nutrientes biológicos)

3. Concentración de ácidos grasos volátiles (VFA)

4. Residuos de lodos activados (WAS)

5. Optima adición química

6. Solución de ácido acético

7. Desecho de agua de azúcar