Caracterización de RILes Usados en la Planta

Se operó la planta con RILes provenientes de una industria cervecera. La DQOtotal estuvo

comprendida entre 2005 y 3190 mg/L. La relación DBO5/DQOtotal observada es mayor al valor

promedio de 0,63 dado por CCU (2000a), destacando la buena degradabilidad de los RILes. La tasa de la DQOsoluble alcanza más del 95% de la DQOtotal, por lo cual bastó con la determinación

de la última; sin embargo, la materia orgánica consumida por la biomasa teóricamente sólo es la fracción biodegradable de la DBOsoluble.

Llama la atención las concentraciones muy elevadas de fosfato (hasta 130 mg/L), que fue determinado como fósforo reactivo, lo que se puede explicar debido al uso de ácido fosfórico como desinfectante y agente limpiador en la planta de elaboración de cerveza (CCU, 2000a). El nitrógeno esta comprendido entre 20,1 y 36,7 mg/L. Los sólidos suspendidos totales están debajo del valor de diseño previsto de 600 mg/L (Kristal, s/a) debido a la posibilidad de que éstos sedimentan en el bidón de alimentación.

La siguiente Tabla 12 da un resumen de la caracterización de los RILes usados durante el marco del proyecto, junto a los TRH que se empleó.

RIL Período DQOtotal

(mg/L) DBO5 (mg/L) DBO5/ DQOtotal NTK (mg/L) PO4-P (mg/L) SST (mg/L) SSV (mg/L) TRHAN (h) TRHAE (h) 1° 16.10-24.10 3185 22,9 31,5 300 217 28,1 24 2° 24.10-07.11 2005 1770 0,88 20,1 38,0 177 21,0 16 3° 07.11-17.11 3190 2700 0,85 29,6 32,5 183 170 14,0 12 4° 17.11-24.11 2645 2350 0,89 28,8 130 220 160 8,3 7,1 5° 24.11-27.11 2585 36,7 28,5 4,9 4,2

Tabla 12: Caracterización de los RILes utilizados y los TRH empleados

Al superar la relación óptima de DQO:N:P = 800:5:1 no se supone inhibición nutricional para un proceso anaerobio (ATV-FA, 1990), condición que es cumplida como se muestra en la siguiente Tabla 13, sin embargo para la siguiente fase aerobia sí se puede sospechar tal inhibición, por lo cual tanto en la planta de tratamiento de RILes de la industria cervecera local como durante el marco del proyecto se emplea urea como fuente adicional de nitrógeno.

RIL Período DQO NTK PO4-P

1° 16.10-24.10 800 5,8 7,9

2° 24.10-07.11 800 8,0 15,2

3° 07.11-17.11 800 7,4 8,2

4° 17.11-24.11 800 8,7 39,3

5° 24.11-27.11 800 11,4 8,8

4.3.3 Parámetros de Control

4.3.3.1 pH

El desarrollo de microorganismos está en estrecha relación con un pH óptimo, como la actividad enzimática depende fuertemente del mismo. El rango de tolerancia para microorganismos anaerobios se encuentra entre 6,8 a 7,5 de pH (Böhnke et al., 1993). El problema de la corrección anticipada del pH en el bidón es discutida en el capítulo 4.1.1.2, con la consecuencia que con valores de 5,7 el pH del RIL crudo que entra al reactor UASB se encuentra en el límite inferior, y a veces queda debajo del óptimo. La baja de los pH en el bidón refleja el aumento del grado de acidificación de la materia orgánica presente en el RIL. Al quedarse debajo de un pH 5 fueron reportados daños a la biología y una baja de la eficiencia de la remoción, mientras la operación de un reactor UASB con elevado grado de acidificación (75%) y un pH de 6,3 del RIL suministrado al reactor no influye negativamente (Rosenwinkel et al., 1996).

Sin embargo se debería esperar un pH del efluente superior al afluente, lo que en la planta no fue observado, lo que puede indicar la inhibición de la metanogénesis. Además, al operar el reactor en el laboratorio a un pH supuestamente inferior al del reactor de su origen, las adaptaciones necesarias de la biología al nuevo ambiente pueden explicar la baja eficiencia de remoción de la DQO.

Para un sistema de lodos activados, el pH óptimo del licor para un adecuado funcionamiento está comprendido entre 6,5 y 8,0. El RIL que entra es diluido con los contenidos del tanque de aireación y neutralizado por el CO2 producido por la respiración microbiana (Eckenfelder, 1989).

El pH del tanque de aireación se mantiene constantemente alrededor de 8,0, debido al bicarbonato resultante que presenta buena capacidad de buffer alrededor de tal pH y no varía aún bajo suministro de efluentes ácidos desde el reactor UASB, que están comprendidos en un rango de 6,0 a 7,0. A veces, el pH presenta valores mayores a 8,0, escapándose del rango óptimo de operación, por lo cual fue ajustado el pH usando el medidor MONEC a un valor umbral de 7,5 después del día 21 de Nov., al instalar un electrodo de pH para la medición continua.

4.3.3.2 Temperatura

Los lodos activados operan a temperatura ambiente del laboratorio y por lo tanto están comprendidas en el rango de 13,0 a 23,5 °C. Una influencia significante sobre la eficiencia de la purificación no fue observada.

El sistema de calentamiento del reactor UASB es crítico, como se describió en el capítulo 3.1.1.3 abandonando frecuentemente el rango óptimo de 30 a 40 °C, con su máximo entre 35 y 37 °C de los microorganismos mesófilos (Böhnke et al., 1993). La influencia sobre la eficiencia de purificación es significativa, ya que durante fases de falla del sistema de calefacción la eficiencia estuvo comprendida entre un 20 a 30 %, mientras que durante fases de funcionamiento óptimo alcanzó hasta un 68 %.

Los valores analizados de la temperatura se resumen en el Anexo A. 4.3.3.3 Oxígeno Disuelto (OD)

Aparte del período corto con problemas con los difusores (véase capítulo 4.1.2.2) se garantiza una concentración mínima de oxígeno disuelto en el tanque de aireación de 2,0 mg/L, según lo recomendado en la literatura (Ronzano et al., 1995). Se adaptó este valor umbral según las necesidades de operación de la siguiente manera:

Durante la fase 1 y períodos de aparición de espumas se operó a dicho valor mínimo, para minimizar las pérdidas de lodos debido al rebalse. En la fase 2, durante el crecimiento excesivo de microorganismos filamentosos, se programó una concentración mínima de 4,0 mg/L para garantizar condiciones más favorables para los microorganismos formadores de flóculos. En la fase 3 se operó la planta a una concentración de 3.0 mg/L por la elevada carga volumétrica aplicada debido al corto TRH y la falla del sistema de calentamiento del reactor UASB.

4.3.3.4 Demanda Química y Bioquímica de Oxígeno (DQO y DBO5)

La fase posterior a la puesta en marcha de la planta se puede explicar como la adaptación a la nueva alimentación y la producción de biomasa dentro del reactor aerobio, que pronto se ve afectada por pérdidas de lodos por rebalse. La eficiencia de remoción de DQOtotal varía

aumentando de un 45% a 81% para después disminuir a un 50%.

En la segunda fase, al poner en marcha el UASB, se logró tasas de remoción de un 50 a un 68% en el UASB y sumadas a un 79 hasta 91% de remoción en el sistema de lodos activados, producen una remoción total del tratamiento acoplado anaerobio-aerobio de la DQOtotal de un 90 a un 97%. Así se alcanza concentraciones de DQOtotal del efluente de

56 mg/L. Al final de esta fase se disminuye la eficiencia total, debido tanto a fallas del reactor anaerobio como a los problemas de Bulking ocurridos en el sistema de lodos activados, que resulta en la nueva pérdida de lodo.

En la tercera fase falló el sistema de calefacción del reactor UASB, disminuyendo la eficiencia de remoción a solamente 12 a 20%, mientras que en el sistema de lodos activados nuevamente inoculado presenta eficiencias de remoción altas entre un 81 a un 94% aún bajo cargas altas y TRH corto. La eficiencia de remoción total varía entre un 86 a un 97%.

Un resumen de los valores de medición se dan en el Anexo B.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

16. Oct 18. Oct 20. Oct 22. Oct 24. Oct 26. Oct 28. Oct 30. Oct _{01. Nov 03. Nov 05. Nov 07. Nov 09. Nov 11. Nov 13. Nov 15. Nov 17. Nov 19. Nov 21. Nov 23. Nov 25. Nov 27. Nov} Días de operación

DQOtotal (mg/L)

DQO(0) DQO(E, AE) DQO(S)

La eficiencia de remoción de la DBO5 en el tanque de aireación generalmente supera los 80%,

resultando en una eficiencia de remoción total entre un 94 y un 98 %. Sin embargo, también se ve afectada por el funcionamiento del reactor anaerobio, donde la relación DBO5/DQOtotal

presenta una amplia gama y en ningún momento se alcanza la relación DBO5/DQOtotal de 0,2

del efluente de salida de la planta de tratamiento de RILes de la industria cervecera local, lo que indica que rendimientos máximos del tratamiento no fueron alcanzados.

RIL Fecha Entrada reactor AN Entrada reactor AE Salida clarificador

DQOtotal (mg/L) DBO5 (mg/L) DBO5/ DQOtotal DQOtotal (mg/L) DBO5 (mg/L) DBO5/ DQOtotal DQOtotal (mg/L) DBO5 (mg/L) DBO5/ DQOtotal 2° 26. Oct. 2005 1770 0,88 1138 550 0,48 320 105 0,33 3° 08. Nov. 3190 2700 0,85 1183 650 0,55 101 30 0,30 4° 22. Nov. 2645 2350 0,89 1973 1450 0,73 371 135 0,36

Tabla 14: Relaciones DBO5:DQO para distintas fases del tratamiento

Para futuros cálculos se utilizará una relación promedio (DBO5/DQOtotal)0 de 0,87 en vez de

utilizar el valor de referencia de 0,63 dado por CCU (2000a) y una relación promedio (DBO5/DQOtotal)E, AE de 0,59.

4.3.3.5 Sólidos Suspendidos Totales y Volátiles (SST y SSV)

Mixed Liquor Volatile Suspended Solids (MLVSS) e Indice Volumétrico de Lodos (IVL) La biomasa del sistema de lodos activados aumentó después de la puesta en marcha y su inoculación con lodos provenientes de un reactor alimentado con RILes de una industria de tableros prensados, de 975 mg/L a 1466 mg/L, para disminuir después a causa de pérdidas por rebalse debido a espumas. Desde un principio, los lodos presentaron malas propiedades, resultando en un IVL mayor que los valores óptimos, lo que sin embargo se mejoró de 770 mL/g a 557 mL/g. Durante el efecto de Bulking disminuyó constantemente la biomasa dentro del reactor.

En la segunda fase se pudieron lograr concentraciones de MLSS de hasta 2166 mg/L y de MLVSS de 1800 mg/L respectivamente. En este tiempo, el IVL disminuyó hasta 424 mL/g, sin embargo debido al aumento continuo del caudal de alimentación aumentó la velocidad de flujo superficial en el clarificador secundario, superando la velocidad de sedimentación de los flóculos e impidiendo el espesamiento apropiado de los lodos, por lo cual los lodos fueron

arrastrados desde el tanque de aireación al clarificador, ya que el flujo másico de lodo que retornó la bomba de recirculación al tanque de aireación fue cada vez menor. Al final de esta fase la concentración de MLSS disminuyó a solo 980 mg/L, lo que corresponde a 800 mg MLVSS/L y el IVL superó los 1000 mL/g. La relación MLVSS/MLSS se mantuvo, aunque con cambios fuertes, entre un 75% y un 90%.

Después de la nueva inoculación con lodos de la planta de tratamiento de la industria cervecera local se lograron concentraciones mayores que 4,0 g MLSS/L, debido a una nueva bomba de recirculación y a las mejores propiedades del lodo. Sin embargo, el IVL empeoró constantemente de 48 mL/g a 163 mL/g, lo que se pudo deber al cizallamiento de los flóculos debido a la agitación del impulsor. También se observa que la relación MLVSS/MLSS sube de un 50% hasta 85%, lo que puede explicar los flóculos livianos.

Se comprueba la observación de Wagner (1984) que valores de la relación MLVSS/MLSS superiores a 0,75 son críticos para la aparición del Bulking y coinciden con IVLs elevados.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

16. Oct 19. Oct 22. Oct 25. Oct 28. Oct 31. Oct _{03. Nov 06. Nov 09. Nov 12. Nov 15. Nov 18. Nov 21. Nov 24. Nov 27. Nov}

Sólidos suspendidos (mg/L) 0 150 300 450 600 750 900 1050 IVL (mL/g) SST(AE) SSV(AE) IVL

Figura 11: SSTAE, SSVAE y IVL durante el período de operación

SST y SSV en los Caudales de Alimentación Cruda, Entrada AE, Salida Clarificador En la alimentación cruda que entra al reactor UASB se registraron concentraciones de SST0

entre 83 y 334 mg/L y una relación SSV0/SST0 = 0,80, mientras que el caudal que entra al

tienen buenas características, por lo cual se puede operar el reactor a velocidades de flujo ascendente más elevadas. Sin embargo, en el tanque de aireación, durante fases graves de Bulking y corto TRH, se observaron pérdidas relativamente altas de MLSS y las concentraciones de SSTS alcanzaron hasta 780 mg/L, con una tasa de SSVS/SSTS = 0,87. La

concentración mínima fue de 75 mg SST/L con IVLs bajos. La siguiente Figura 12 muestra los datos de medición junto a los análisis de regresión lineal y los coeficientes de correlación obtenidos.

Figura 12: SST y SSV en los Caudales de la Alimentación Cruda, Entrada AE y Salida Clarificador

No fue posible establecer una relación entre SS y turbidez, cuyos valores medidos se muestran en el Anexo A.

4.3.3.6 Parámetros de Operación Carga Volumétrica (CV)

La carga volumétrica aplicada al reactor UASB (CVAN) fue aumentada paulatinamente, ya que

con cada cambio en la alimentación se aumentó el caudal de alimentación, disminuyendo al mismo tiempo los TRH. Finalmente alcanzaron valores de hasta 12,7 kg/(m3*d), considerado como máximo aplicable a reactores UASB por algunos autores (Lettinga et al., 1990; Böhnke et. al, 1993, véase Tabla 2).

SSV(0) = 0,80xSST(0) R2 = 0,8373 SSV(S) = 0,87xSST(S) R2 = 0,9764 SSV(E,AE) = 0,75xSST(E,AE) R2 = 0,941 0 100 200 300 400 500 600 700 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Sólidos Suspendidos Totales (mg/L)

Sólidos Suspendidos Volátiles (mg/L)

Alimentación cruda Entrada AE

En el caso del tanque de aireación, la carga volumétrica aplicada es afectada también por el rendimiento de la remoción de la DQO del reactor UASB, que varió durante el marco del proyecto. Además, la DBO5 fue determinada pocas veces, por lo cual se utilizó el valor de la

DQO corregido por un factor que representa la relación promedio DBO5/DQO. Durante la

alimentación de los primeros dos RILes disminuyó constantemente de 1,9 a 0,4 kg/(m3*d); Esta situación se ve afectada por bajas en el rendimiento de la remoción del reactor UASB, llegando a cargas volumétricas aplicadas de 2,7 kg/(m3*d), para finalmente alcanzar hasta 6,5 kg/(m3*d) durante la fase 3 a TRH de 4 horas y cuando falló el sistema de calentamiento del reactor UASB. En tratamientos convencionales la CV está comprendida entre 0,4 y 1,5 kg DBO5/(m3*d)

y en el régimen de aireación prolongada de solamente 0,03 a 0,15 kg DBO5/(m3*d) (Gray, 1990;

Rosenwinkel et al., 1996).

Factor de Carga (F/M)

El factor de carga evoluciona generalmente en paralelo a la carga volumétrica, ya que se deriva de ella. Con el aumento de los MLSS durante la fase 1 disminuyó constantemente de 1,6 a 0,3 d-1, mientras que debido a pérdidas de MLSS durante la fase 2 se alcanzó valores de hasta 3 d-1, situación que cambió bruscamente por la nueva inoculación, pese a que los valores subieron desde 0,2 a 0,8 d-1, debido a la baja en el rendimiento de la remoción de la materia orgánica en la fase anaerobia.

Para la mayoría de las aguas residuales el valor óptimo de la relación F/M se encuentra dentro de los límites de 0,3 y 0,6 kg DBO5/(kg*d), ya que valores fuera de este rango conducen a lodos

de mala decantabilidad (Ramalho, 1995). En las fases 1 y 2 los lodos siempre tuvieron malas características, aún dentro de dicho rango. Para la fase 3 se puede observar una disminución en la decantabilidad, o sea un aumento del IVL en combinación con el aumento del factor de carga, sin embargo, como se mencionó anteriormente, influyen otros factores más en el efecto observado. Sin embargo, nunca se logró un valor inferior al valor umbral de 0,1 kg DBO5/(kg*d),

que garantizaría con alta seguridad un proceso estable (aireación prolongada) evitando el efecto de Bulking (Rosenwinkel et al., 1996), que implicaría una concentración elevada de MLSS.

Figura 13: Parámetros de control (CVAN, CVAE y F/M) durante el período de operación

4.3.3.7 Remoción de Nutrientes

El nitrógeno (expresado como NTK) fue removido hasta un 66%. El valor de 20,8 mg/L que ocurrió durante del 2° RIL se puede explicar con la alimentación adicional que fue dada en el caso del mal funcionamiento del UASB, para mantener la relación de la alimentación DBO5:N

por encima de 100:5, mostrando claramente que las suposiciones hechas en el capítulo 3.4.2 son demasiados conservadoras.

El fósforo solamente se midió como fósforo reactivo. Se presentaron concentraciones de salida incluso más elevadas que la de entrada. Una explicación puede ser la utilización de otras formas de fósforo a través de los microorganismos y la liberación de fosfato durante el proceso.

RIL Período NTK0 (mg/L) NTKS (mg/L) PO4-P0 (mg/L) PO4-PS (mg/L) 1° 16.10 - 24.10 22,9 13,3 31,5 34,5 2° 24.10 - 07.11 20,1 20,8 38,0 34,0 3° 07.11 - 17.11 29,6 12,5 32,5 37,5 4° 17.11 - 24.11 28,8 9,2 130 135 5° 24.11 - 27.11 36,7 --- 28,5 ---

Tabla 15: Remoción de nutrientes durante el proyecto

0 2 4 6 8 10 12 14

16. Oct 19. Oct 22. Oct 25. Oct 28. Oct 31. Oct 03. Nov 06. Nov 09. Nov 12. Nov 15. Nov 18. Nov 21. Nov 24. Nov 27. Nov

Carga volumétrica (kg/(m3*d) ) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Factor de Carga (1/d) CV(AN) CV(AE) F/M