Aprenda sobre el tratamiento y las soluciones de aguas residuales de alta salinidad

Aguas residuales de alta salinidad es un desafío ambiental importante, en particular en entornos industriales donde se producen con frecuencia agua de mar o subproductos ricos en sal. Comprender la producción, los efectos y el tratamiento de las aguas residuales de alta salinidad es esencial para implementar soluciones efectivas que cumplan con los estándares regulatorios y garanticen la protección ambiental. Esta guía describe las principales fuentes de aguas residuales de alta salinidad, los efectos inhibidores de las sales inorgánicas sobre los microorganismos y las últimas estrategias de tratamiento biológico utilizadas para gestionar las aguas residuales salinas.

1. Formas de producir aguas residuales de alta salinidad

1.1 Aguas residuales vertidas por sustitución de agua de mar

La llamada sustitución de agua de mar consiste en sustituir directamente los recursos de agua dulce utilizados en determinadas ocasiones por agua de mar sin desalinizar.

En la industria, el agua de mar se puede utilizar ampliamente como agua de refrigeración de calderas y se aplica a la energía térmica, la energía nuclear, la petroquímica, la metalurgia, las acerías y otras industrias. El consumo anual de agua de mar para refrigeración en los países desarrollados ha superado los 100 mil millones de m3. En la actualidad, la utilización anual de agua de mar en mi país es de más de 6 mil millones de m3. La planta de energía de Qingdao comenzó a utilizar agua de mar como agua de refrigeración industrial en 1936, y tiene una historia de más de 60 años. En la actualidad, 12 empresas costeras en las industrias de energía, química, textil y otras de Qingdao utilizan 837 millones de m3 de agua de mar al año. Tianjin utiliza 1.800 millones de m3 de agua de mar al año. Además, más de 70 empresas costeras de energía térmica, energía nuclear, química, petroquímica y otras, como la planta de energía térmica de Qinhuangdao, la planta de energía térmica de Huangdao y la planta petroquímica general de Shanghai, han utilizado directamente el agua de mar de diferentes maneras. Para industrias como la impresión y el teñido, los materiales de construcción, el procesamiento de álcalis, caucho y mariscos, el agua de mar también se puede utilizar como agua de producción industrial.

Agua doméstica urbana. En la vida urbana, el agua de mar puede sustituir al agua dulce como agua de descarga del inodoro. En la actualidad, la tasa de penetración del agua de mar para la descarga del inodoro en Hong Kong es de más de 70%, y se prevé que aumente a 100% en el futuro, lo que la convertirá en la primera ciudad del mundo en utilizar agua de mar como agua de descarga del inodoro. En algunas unidades de ciudades como Dalian, Tianjin, Qingdao y Yantai, también se utilizan prácticas de uso de agua de mar para la descarga del inodoro, pero en menor escala.

1.2 Aguas residuales de producción industrial

Algunas industrias, como la de impresión y teñido, la de fabricación de papel, la de productos químicos y bienes de consumo, generan aguas residuales orgánicas con alto contenido de sal en su producción.

1.3 Otras aguas residuales con alto contenido de sal

Agua de lastre del buque

Minimización de aguas residuales Aguas residuales generadas en la producción

Aguas residuales domésticas generadas en grandes buques

2. El principio de inhibición de las sales inorgánicas sobre los microorganismos

2.1 Principio de inhibición

El principal veneno en las aguas residuales saladas es el veneno inorgánico, es decir, alta concentración de sales inorgánicas.

El efecto de las sustancias tóxicas en el tratamiento biológico de aguas residuales está relacionado con el tipo y la concentración del veneno. En general, a medida que aumenta la concentración, se puede dividir en tres categorías: estimulación, inhibición y toxicidad.

El efecto tóxico de las sales inorgánicas de alta concentración en el tratamiento biológico de aguas residuales es principalmente destruir la membrana celular de los microorganismos y las enzimas de las bacterias a través del aumento de la presión osmótica ambiental, destruyendo así las actividades fisiológicas de los microorganismos.

① Los microorganismos crecen bien bajo presión isotónica. Los microorganismos en soluciones de NaCl con una masa de 5~8,5 g/L, y los glóbulos rojos en soluciones de NaCl con una masa de 9 g/L no cambian de forma ni de tamaño, y crecen bien; ② Bajo baja presión osmótica (ρ(NaCl)=0,1 g/L), una gran cantidad de moléculas de agua en la solución penetran en los microorganismos, provocando que las células microbianas se hinchen y, en casos graves, se rompan, lo que lleva a la muerte de los microorganismos; ③ Bajo alta presión osmótica (ρ(NaCl)=200 g/L), una gran cantidad de moléculas de agua en los microorganismos penetran en el cuerpo, provocando que las células sufran plasmólisis.

2.2 Tasa de supervivencia de microorganismos de agua dulce bajo diferentes salinidades

Cuando diferentes microorganismos que viven en ambientes de agua dulce o estructuras de tratamiento de agua dulce se inoculan en ambientes de alta salinidad, solo algunos de ellos sobreviven. Se trata de una especie de selección de salinidad para los microorganismos. La tasa de supervivencia de los microorganismos de agua dulce se define como 100%. Cuando la salinidad supera los 20 g/L, su tasa de supervivencia es inferior a 40%. Por lo tanto, cuando la salinidad supera los 20 g/:L, generalmente se cree que no se puede tratar con diferentes microorganismos de agua dulce.

3. Clasificación y utilización de microorganismos adaptados a la sal

Microorganismos halófilos: pueden tolerar una determinada concentración de solución salina, pero crecen en condiciones libres de sal y su crecimiento no requiere una gran cantidad de sales inorgánicas.

Microorganismos halófilos: se refiere a bacterias que pueden crecer en condiciones de alta salinidad y su crecimiento es inseparable del ambiente de alta salinidad. Según el rango de salinidad adecuado para el crecimiento, se pueden dividir en tres categorías.

Bacterias marinas: Buen crecimiento salinidad 1-3%

Bacterias halófilas moderadas: Buen crecimiento, salinidad 3-15%

Bacterias halófilas extremas: Buen crecimiento, salinidad 15-30%

4. Problemas encontrados en el tratamiento biológico de aguas residuales de alta salinidad

Mala adaptación a la salinidad

El método tradicional de lodos activados se utiliza para tratar aguas residuales salinas con una salinidad inferior a 2%.

Cuando el ambiente de salinidad cambia a un ambiente de agua dulce, la adaptabilidad de los lodos desaparecerá rápidamente.

Gran impacto de los cambios de salinidad

Los cambios de salinidad de 0,5-2% suelen causar interferencias graves en el sistema de tratamiento.

Los cambios repentinos de salinidad interfieren en el sistema más que los cambios graduales de salinidad. El impacto de cambiar de un ambiente con mucha sal a uno sin sal es mayor que el impacto de cambiar de un ambiente con poca sal a uno con mucha sal.

Tasa de degradación lenta

A medida que aumenta la salinidad, la tasa de degradación de la materia orgánica disminuye, por lo que una relación F/M baja es más adecuada para el tratamiento de aguas residuales salinas.

5. Contramedidas para el tratamiento biológico de aguas residuales de alta salinidad

5.1 Domesticación de microorganismos de agua dulce

Cuando los microorganismos adaptados a vivir en instalaciones de tratamiento biológico de agua dulce entran en un ambiente salino de una determinada concentración, equilibrarán la presión osmótica en la célula o protegerán el protoplasma en la célula mediante su propio mecanismo de regulación de la presión osmótica. Estos mecanismos de regulación incluyen la agregación de sustancias de bajo peso molecular para formar una nueva capa protectora extracelular, la regulación de sus propias vías metabólicas, el cambio de la composición genética, etc. Por lo tanto, los lodos activados normales pueden tratar aguas residuales salinas dentro de un cierto rango de salinidad mediante la domesticación durante un cierto período de tiempo.

Aunque los lodos pueden mejorar el rango de tolerancia a la sal del sistema y mejorar la eficiencia del tratamiento del sistema a través de la domesticación, los microorganismos en los lodos domesticados tienen un rango de tolerancia limitado a la salinidad y son sensibles a los cambios ambientales. Cuando el entorno de salinidad cambia, la adaptabilidad de los microorganismos desaparecerá inmediatamente. La domesticación es solo un ajuste fisiológico temporal para que los microorganismos se adapten al medio ambiente y no tiene características genéticas. Esta sensibilidad adaptativa es muy desfavorable para la implementación de proyectos de tratamiento de aguas residuales.

Los estudios han demostrado que la domesticación de la salinidad se puede utilizar para tratar aguas residuales salinas en condiciones de salinidad inferior a 20 g/L. Sin embargo, la concentración de salinidad de domesticación debe aumentarse gradualmente y el sistema debe domesticarse hasta el nivel de salinidad requerido en etapas. Un entorno de alta salinidad repentina provocará un fracaso de la aclimatación y un retraso en la puesta en marcha.

5.2 Diluir la salinidad del afluente

Dado que el alto contenido de sal se convierte en un inhibidor y veneno para los microorganismos, el afluente debe diluirse para que la salinidad sea inferior al valor umbral tóxico, y el tratamiento biológico no se verá inhibido. Este método es simple, fácil de operar y gestionar; sus desventajas son el aumento de la escala de tratamiento, el aumento de la inversión en infraestructura, el aumento de los costos operativos y el desperdicio de recursos hídricos.

5.3 Uso de microorganismos adaptados a la sal

La inoculación o inmovilización genética de microorganismos adaptados a la sal para tratar aguas residuales de alta salinidad es un método de tratamiento eficaz. Este método puede tratar más de 3% de aguas residuales de alta salinidad, lo que es imposible de lograr con diferentes métodos de aclimatación. Algunas de las bacterias adaptadas a la sal seleccionadas para la eliminación de contaminantes específicos pueden tener una alta capacidad de degradación específica, lo que mejora en gran medida el efecto del tratamiento. El inóculo de detección proviene de las sustancias activas en el sedimento del océano o del estuario, el sustrato del campo de sal y otros entornos de alta salinidad. La detección a menudo tiene ciertos procedimientos y medidas genéticas.

Las desventajas de este método son el largo tiempo de puesta en marcha y los altos costes iniciales de puesta en marcha. Sin embargo, es un método viable para el tratamiento biológico de aguas residuales de alta salinidad. 5.4 Adición de antagonistas El antagonismo se refiere a la situación en la que el efecto tóxico de un veneno se reduce por la presencia o el aumento de otra sustancia. Se puede ver en la figura que el efecto tóxico de un veneno disminuye con el aumento de la baja concentración de otra sustancia, y después del buen estado, la velocidad de reacción disminuye con el aumento adicional de la concentración del antagonista. La investigación actual ha encontrado que K tendrá un efecto antagónico sobre Na, reduciendo el efecto tóxico de la sal de Na sobre los microorganismos. Efecto de absorción de potasio y excreción de sodio El principio principal puede ser la función de transporte inverso Na+/K+. Aunque las bacterias necesitan un entorno con alto contenido de sodio para crecer, la concentración de Na en la célula no es alta. Por ejemplo, la bomba de protones H+ mediada por luz de Halobacterium tiene la función de transporte inverso de Na+/K+, es decir, tiene la capacidad de absorber y concentrar K+ y descargar Na+ al espacio extracelular. K+, como soluto compatible, puede ajustar la presión osmótica para lograr un equilibrio entre el interior y el exterior de la célula. Su concentración es tan alta como 7 mol/L para mantener la misma actividad de agua dentro y fuera. Por ejemplo, las bacterias anaeróbicas halófilas, las bacterias halófilas reductoras de azufre y las arqueas halófilas acumulan altas concentraciones de K+ en la célula para resistir el ambiente hipertónico fuera de la célula. Por ejemplo, el transportador inverso Na+/K+ en la levadura puede excretar el exceso de sal del cuerpo y mejorar la tolerancia a la sal de la levadura.

5.5 Selección de un proceso de tratamiento adecuado

Los distintos procesos de tratamiento afectan el rango de tolerancia a la sal de los microorganismos. A continuación, se indican las cantidades límite de concentración de NaCl en varios métodos de tratamiento biológico informados.

En general, las investigaciones indican que el proceso de biopelícula tiene una mayor tolerancia a la sal que el proceso de lodos activados suspendidos. Además, la adición de una etapa anaeróbica puede aumentar considerablemente el rango de tolerancia a la sal de la etapa aeróbica posterior.

6. Requisitos de diseño para el tratamiento biológico de aguas residuales de alta salinidad

6.1 Añadir un tanque regulador de salinidad

Los cambios de salinidad tienen un gran impacto en la estabilidad del sistema, lo que se manifiesta como una caída brusca de la eficiencia del tratamiento y una gran cantidad de pérdida de lodos. Durante el diseño, se debe instalar un tanque regulador para garantizar la estabilidad relativa de la salinidad. Se pueden instalar dispositivos de monitoreo de conductividad en la entrada y la salida del tanque regulador para fortalecer el control en línea y la retroalimentación de la salinidad para evitar que el choque de salinidad provoque fallas en el sistema de tratamiento.

6.2 Reducir la carga de lodos

La salinidad reduce la tasa de biodegradación, por lo que la carga de diseño debería ser relativamente reducida. Muchos estudios han demostrado que el índice de lodos disminuye en un entorno de alta salinidad, por lo que no hay necesidad de preocuparse por la expansión de los lodos causada por una carga demasiado baja.

6.3 Aumentar la concentración de lodos

Los lodos tratados con alto contenido de sal tienen una mala coagulación y una pérdida importante de lodos. Por lo tanto, se debe garantizar una alta concentración de lodos en el diseño. Esto también es un medio para mejorar la eficiencia del tratamiento. También es posible garantizar reservas adicionales de lodos al diseñar un tanque de espesamiento de lodos y reponerlo rápidamente cuando se pierden lodos.

6.4 Aumentar el tiempo de retención del clarificador

Un alto contenido de sal afecta la capacidad de coagulación, por lo que un tiempo de retención más largo favorece la sedimentación de los lodos.

6.5 Aumentar el volumen de aireación

La adaptación de los microorganismos a ambientes con alto contenido de sal se manifiesta por un aumento en la tasa de respiración aeróbica, por lo que la respiración provocará un consumo adicional de oxígeno. El aumento de la concentración de oxígeno disuelto en el agua es beneficioso para el metabolismo de los microorganismos. Satisfacer sus necesidades fisiológicas para adaptarse a ambientes con alto contenido de sal.

Conclusión

El tratamiento de aguas residuales con alta salinidad presenta desafíos únicos, pero con los avances en los métodos de tratamiento biológico, es posible lograr una gestión eficiente y sostenible de las aguas residuales. Al adoptar estrategias como la domesticación de microorganismos, el uso de cepas adaptadas a la sal y la optimización de los procesos de tratamiento, las industrias pueden reducir el impacto ambiental de sus operaciones y, al mismo tiempo, cumplir con las regulaciones. Con la investigación y la innovación constantes en el campo, el tratamiento de aguas residuales con alta salinidad seguirá mejorando, brindando soluciones más efectivas tanto para las industrias como para los municipios.