En plantas de tratamiento de aguas residuales municipales e industriales (PMB) , el fallo de la nitrificación suele atribuirse a un bajo oxígeno disuelto, una edad insuficiente del lodo o descargas tóxicas. Sin embargo, en un gran porcentaje de casos, la causa raíz real es mucho más fundamental: Agotamiento de alcalinidad y fallo de amortiguación .
Cuando la alcalinidad es insuficiente, el pH comienza a bajar. Una vez que la capacidad de amortiguación colapsa, las bacterias nitrificantes pierden actividad rápidamente — y se produce el avance del amoníaco.
Alcalinidad vs pH: Por qué la capacidad de almacenamiento de almacenamiento importa más que las lecturas instantáneas
Muchas plantas monitorizan continuamente el pH, pero rara vez controlan la alcalinidad con la misma disciplina.
- pH refleja la concentración actual de iones hidrógeno.
- Alcalinidad refleja la capacidad del sistema para resistir el cambio de pH — su capacidad neutralizadora de ácido.
La alcalinidad se mide en mg/L como CaCO₃ mediante la titulación a pH 4,5. En aguas residuales municipales, la alcalinidad suele consistir en:
- Bicarbonato (HCO₃⁻) — fracción dominante
- Carbonato (CO₃²⁻)
- Hidróxido (OH⁻)
Debido a que la nitrificación genera acidez, la alcalinidad actúa como principal mecanismo de defensa contra la inestabilidad del sistema biológico.
Principio clave:
El pH es un indicador de síntomas. La alcalinidad es un indicador de estabilidad.
La estequiometría de la nitrificación: por qué el colapso ocurre más rápido de lo esperado
La nitrificación consume alcalinidad según una química de reacción fija:
- 1 mg de NH₄⁺-N oxidado consume ~7,14 mg de alcalinidad (como CaCO₃)
- 1 g de DBO₅ eliminado consume ~0,3 g de alcalinidad
En condiciones de alto contenido de amoníaco, esta demanda es considerable. Por ejemplo:
Si influyente NH₄⁺-N = 40 mg/L
→ Consumo de alcalinidad ≈ 286 mg/L
Muchos influyentes municipales solo contienen entre 200 y 300 mg/L de alcalinidad. Sin suplementación, el sistema inevitablemente se acidificará.
Los factores de riesgo incluyen:
- Sistemas de nitrificación total de alta velocidad de alta frecuencia
- Dilución por tiempo húmedo que reduce la alcalinidad influyente
- Aguas residuales industriales con baja capacidad de amortiguamiento
- Eliminación química simultánea de fósforo
Una vez que la alcalinidad residual baja de niveles críticos, el descenso del pH se acelera rápidamente.
Objetivos críticos de control para la nitrificación estable de lodos activados
Basado en datos de rendimiento a escala real de la planta:
Rango óptimo de pH de nitrificación: 6.8–8.2
Umbrales de advertencia:
- pH < 6,5 → la tasa de nitrificación disminuye
- pH ≈ 6,0 → la nitrificación casi se detiene
Objetivos recomendados para el control de la alcalinidad:
- Alcalinidad influyente ≥ 1,5 × demanda teórica de nitrificación
- Mantener la alcalinidad residual de 50–150 mg/L (mínimo)
- Sistemas sensibles de eliminación de nutrientes: 200–300 mg/L residual
Cuando la alcalinidad se vuelve limitante, los operadores pueden observar:
- Aumento del amoníaco del efluente
- Acumulación de nitritos
- Aumento de la SVI (>150 mL/g)
- Crecimiento filamentoso
- Valores de pH matutinos más bajos
- Una dieta adecuada pero una mala eliminación de amoníaco
Esto no es un problema de oxígeno — es un problema de amortiguación.
Estrategias prácticas de suplementación de alcalinidad
Cuando la alcalinidad natural influyente es insuficiente, se vuelve necesaria la suplementación química.
Fuentes comunes de alcalinidad
| Química | Fuerza | Notas operativas |
|---|---|---|
| Hidróxido de sodio (NaOH) | Respuesta fuerte y rápida | Mayor coste, riesgo de cambios rápidos de pH |
| Carbonato de sodio (Na₂CO₃) | Moderado | Acción de amortiguamiento más segura |
| Lima (Ca(OH)₂) | Económico | Manejo de lodos y riesgo de escalado |
| Hidróxido de magnesio | Búfer de liberación lenta | Menor riesgo de sobrealimentación |
Buenas prácticas:
Dosis basada en la carga de amoníaco, no solo en el control del punto de ajuste del pH.
Ubicaciones óptimas de inyección
- Línea de lodo activado de retorno (RAS)
- Canal influyente antes de la aireación
- Cuenca de ecualización
Evita choques localizados de pH alto en los tanques de aireación.
Filosofía de control
El control reactivo (esperar la alarma de pH bajo) suele llegar demasiado tarde.
Las estrategias proactivas incluyen:
- Pruebas rutinarias de alcalinidad (≥3 veces por semana)
- Dosificación anticipada basada en la carga NH₄⁺
- Punto de ajuste de alcalinidad residual (por ejemplo, mínimo 100 mg/L)
- Bucles de control de alcalinidad-amoníaco integrados en SCADA
Consideraciones integradas de eliminación de nutrientes
En los sistemas BNR, la gestión de la alcalinidad se vuelve más compleja.
Impacto en EBPR
- pH < 7 reduce la competitividad de las PAO
- Las GAOs se vuelven más dominantes
- Disminución de la eficiencia biológica en la eliminación del fósforo
Eliminación química de fósforo
Las sales férricas y de aluminio consumen alcalinidad adicional, aumentando aún más la demanda de amortiguación.
Así, la estabilidad en la nitrificación, la eliminación de fósforo y el control de alcalinidad están interconectados — no son variables independientes.
Recomendaciones de ingeniería y operaciones
Para evitar el colapso de la nitrificación a largo plazo:
- Alcalinidad influyente de diseño ≥ 200 mg/L (línea base municipal)
- Proporcionar capacidad de almacenamiento de alcalinidad durante varios días
- Sistemas de dosificación de tamaño para cargas de amoníaco pico
- Monitoriza las tendencias de alcalinidad, no solo los valores puntuales
- Preparar estrategias de ajuste estacional
Recuerda:
- El pH te indica la condición actual
- La alcalinidad predice la estabilidad futura
La mayoría de los colapsos de nitrificación no son eventos repentinos: son la etapa final de la disminución gradual de la alcalinidad.
La nitrificación estable no se logra solo aumentando la aireación. Se mantiene protegiendo la capacidad de amortiguamiento del sistema biológico.