En las plantas municipales de tratamiento de aguas residuales, los procesos biológicos son la columna vertebral de la eliminación de materia orgánica y la conversión de nitrógeno. Los operadores suelen centrarse en el osígeno disuelto, la edad de los lodos y el balance de nutrientes, aunque un parámetro crítico suele subestimarse: Alcalinidad .
Cuando la alcalinidad es insuficiente, el tratamiento biológico—especialmente la nitrificación—no solo funciona mal. Puede volverse inestable, perder resistencia a los choques de carga y, finalmente, no cumplir los límites de amoníaco y descarga total de nitrógeno. Comprender por qué la alcalinidad es esencial tanto para el diseño del sistema como para la operación diaria.
La alcalinidad es el amortiguador de pH que mantiene viva la biología
La alcalinidad representa la capacidad del agua para neutralizar ácidos, proporcionados principalmente por iones bicarbonato (HCO₃⁻). En los sistemas de tratamiento biológico, la alcalinidad actúa como un tampón que estabiliza el pH , protegiendo a las comunidades microbianas de una acidificación rápida.
Las aguas residuales municipales contienen múltiples reacciones productoras de ácido:
- Nitrificación biológica
- Degradación de la materia orgánica
- Entradas ocasionales de la industria ácida
Sin suficiente alcalinidad, estas cargas ácidas se traducen directamente en caídas de pH dentro del biorreactor, a menudo más rápidas de lo que los operadores esperan.
La nitrificación consume alcalinidad por diseño
La nitrificación no solo es sensible a la alcalinidad, la consume activamente.
La oxidación del amonio a nitrato puede simplificarse como:
NH₄⁺ + 2O₂ → NO₃⁻ + 2H⁺ + H₂O
Por cada mol de amonio oxidado, se liberan iones de hidrógeno (H⁺), aumentando la acidez. En términos prácticos de ingeniería:
Se consumen aproximadamente 7,14 g de alcalinidad (como CaCO₃) por cada gramo de NH₃-N nitrificado.
En plantas con concentraciones de amoníaco influyente moderadas a altas, esta demanda de alcalinidad puede superar rápidamente lo que proporciona el agua residual bruta. Una vez que la alcalinidad se agota, el pH comienza a caer rápidamente.
Las bacterias nitrificantes son extremadamente sensibles al pH
Las bacterias nitrificantes están entre los organismos más frágiles del ecosistema de lodos activados.
- Rango óptimo de pH: 7.5–8.0
- Actividad significativamente inhibida abajo pH 6,5
- La nitrificación casi se detiene por debajo pH 5.0
A diferencia de las bacterias heterotróficas, los nitrificadores se recuperan lentamente tras la inhibición. Incluso periodos cortos de pH bajo pueden provocar un prolongado avance del amoníaco, creando la ilusión de un "misterioso" fracaso en la nitrificación.
Es importante destacar que una baja alcalinidad no mata directamente a los nitrifantes— destruye el entorno de pH que necesitan para funcionar .
La pérdida de búfer conduce a inestabilidad de procesos
La alcalinidad no se refiere solo al pH medio, sino a Resiliencia del sistema .
Cuando la alcalinidad es adecuada:
- El pH cambia lentamente
- Se absorben las fluctuaciones de carga
- Las comunidades microbianas permanecen estables
Cuando se agota la alcalinidad:
- Pequeños picos de amoníaco provocan caídas bruscas de pH
- Las variaciones influyentes diarias desencadenan estrés biológico
- Tanto nitrificantes como heterótrofos están suprimidos
Como resultado, las plantas pueden experimentar problemas simultáneos:
- Amoníaco elevado del efluente
- Reducción de la eficiencia de la muerte y eliminación de la DBO
- Mayor sensibilidad a los cambios de temperatura y flujo
El pH bajo también degrada el rendimiento de los lodos
Más allá de la actividad biológica, la alcalinidad insuficiente puede afectar negativamente a las propiedades de los lodos.
Las condiciones de pH bajo se asocian con:
- Mala formación de flocs
- Reducción de la asentabilidad de lodos
- Mayor riesgo de volumen de lodo o lavado
Estos efectos secundarios deterioran aún más la calidad del efluente y complican el funcionamiento del clarificador.
Por qué la deficiencia de alcalinidad es común en las plantas municipales
Los problemas de alcalinidad son cada vez más comunes debido a varias tendencias:
- Límites más estrictos de amoníaco y nitrógeno total
- Tasas más altas de nitrificación en plantas mejoradas
- Menor alcalinidad causada por cambios de agua fuente
- Aumento de vertidos industriales y ácidos
En muchos casos, las plantas fueron diseñadas originalmente asumiendo que una alcalinidad influyente sería suficiente, una condición que ya no se mantiene.
La suplementación con alcalinidad es una estrategia de control, no una corrección
Cuando la alcalinidad es insuficiente, Se hace necesaria la adición externa de alcalinidad para mantener una nitrificación estable.
Las fuentes comunes de alcalinidad incluyen:
- Bicarbonato de sodio (NaHCO₃)
- Sosa (Na₂CO₃)
- Soluciones cáusticas (específicas para el lugar)
Entre estos, el bicarbonato de sodio suele ser preferido para sistemas biológicos debido a su suave ajuste del pH y su capacidad inmediata de amortiguamiento.
Un control adecuado de la alcalinidad debe buscar:
- Mantener el pH del reactor por encima de los niveles 7.0 , idealmente 7.2–8.0
- Asegura alcalinidad residual en el licor mezclado
- Ajusta la dosis de alcalinidad a las tasas reales de eliminación de amoníaco
Esto requiere monitorización rutinaria y cálculos de balance de alcalinidad, no dosificación química reactiva tras los fallos.
Conclusión: Sin alcalinidad, sin estabilidad en nitrificación
El tratamiento biológico no falla de repente cuando la alcalinidad es insuficiente: falla sistemáticamente .
La disminución de alcalinidad conduce a:
- Rápido descenso del pH
- Inhibición de la nitrificación
- Pérdida de capacidad de almacenamiento en búfer
- Rendimiento biológico inestable
- No cumplimiento del amoníaco del efluente
En el tratamiento de aguas residuales municipales, la alcalinidad no es un parámetro químico opcional. Es un Requisito fundamental para una eliminación biológica fiable de nitrógeno.
Las plantas que monitorizan, calculan y gestionan proactivamente la alcalinidad tienen muchas más probabilidades de lograr una nitrificación estable, un funcionamiento resiliente y un cumplimiento normativo consistente.
