FERMENTACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES PARA LA PRODUCCIÓN DE AGV UTILIZANDO REACTORES DISCONTINUOS CON BIOMASA SUSPENDIDA
*Germán Cuevas Rodríguez, Óscar González Barceló y Simón González Martínez Coordinación de Ingeniería Ambiental, Instituto de Ingeniería, UNAM
Ciudad Universitaria, 04510 México, D.F.
RESUMEN
El uso de un reactor fermentador para la producción de Ácidos Grasos Volátiles (AGV) a partir de aguas residuales o lodos provenientes de plantas para tratamiento de aguas residuales, es una práctica que está siendo implatada para mejorar los procesos de remoción biológica de fósforo. El objetivo de este trabajo fue de obtener condiciones de operación que permitan el establecimiento de bacterias acidogénicas y observar la producción de AGV a partir de aguas residuales domésticas durante un ciclo de tratamiento. Esta investigación se llevó a cabo a nivel piloto utilizando un reactor discontinuo con biomasa suspendida y capacidad de 1000 l. El reactor se operó bajo la técnica de llenado y vaciado empleando ciclos de 8 horas (llenado, reacción, sedimentación y vaciado). La caracterización y cantidad de los AGV producidos en el reactor es de suma importancia dentro de la fermentación de aguas residuales. Después de 180 días de operación se observó que las bacterias acidogénicas se establecieron al transcurrir de 10 días de trabajo. En todo este tiempo los AGV permanecieron en un rango de 220 a 280 mg/l. Se estudió el comportamiento de los AGV y DQO durante un ciclo de fermentación y se observó que los AGV fueron incrementando al transcurrir el ciclo de 140 a 290 mg/l, donde, el 65% fue ácido acético, el 28.85% ácido propiónico y el 6.07% ácido butírico. La DQOT disminuyó de 400 a 370 mg/l y la
DQOs aumentó de 280 a 310. El pH se mantuvo entre 6 y 5.5 mientras que la temperatura permaneció en un rango de 21.5 a 26.8 oC. Se concluye que es factible la producción de AGV a partir de aguas residuales empleando reactores discontinuos.
Palabras claves: fermentación, ácidos grasos volátiles, reactores discontinuos, aguas residuales, biomasa suspendida.
INTRODUCCIÓN
Existen actualmente plantas para tratamiento de aguas residuales cuyo objetivo es la remoción de nutrientes, las cuales utilizan sistemas de fermentación de los lodos para la producción de AGV que se alimentan en el influente. Experiencia prácticas, muestran que una cantidad suficiente de sustrato fácilmente biodegradable (acetato y propionato) en las aguas residuales durante la fase anaerobia permiten obtener efluentes con concentraciones de fósforo menores de 1 mg/l y un alto rango de desnitrificación debido a que los AGV son sustratos esenciales para el metabolismo de las bacterias acumuladoras de fósforo (Pitman, 1983).
La digestión de la materia orgánica por vía anaerobia tiene como fase intermedia la producción de AGV. En la primera etapa de la digestión, los sólidos degradables son hidrolizados a moléculas pequeñas por medio de bacterias hidrolíticas mientras que en la segunda etapa, las bacterias formadoras de ácidos usan los productos intermediarios solubles como sustratos para obtener energía y crecer, obteniendo como productos AGV y material celular.
Los procesos de fermentación de lodos que existen actualmente para la producción de AGV comprenden tres etapas: separación de la materia orgánica (sedimentador primario), fermentación (fermentadores estático y completamente mezclado) y clarificación del efluente fermentado
(sedimentador secundario), esto se lleva a cabo en un mínimo de dos reactores. La utilización de fermentadores estáticos presentan la ventaja de que son más fáciles de operar pero presentan la desventaja que la producción de AGV es menor que la de uno completamente mezclado (Dawson, 1994).
La tecnología de reactores discontinuos o SBR (Sequencing Batch Reactor) no puede ser aplicada directamente a la fermentación de lodos , ya que este carece de sedimentadores primarios por lo que no se producen lodos primarios, pero si se puede aplicar en el proceso de fermentación de aguas residuales ya que presenta la ventaja de que todas las operaciones se llevan a cabo en un solo tanque, además de obtener una mayor producción de AGV principalmente acetato, tal como lo reportan en estudios a nivel laboratorio (Danesh y Oleszkiewics, 1996).
Los objetivos principales de este trabajo fueron establecer condiciones de operación adecuadas que permitan el establecimiento de bacterias acidogénicas en el reactor discontinuo con biomasa suspendida, así como observar la producción de AGV a partir de aguas residuales domésticas durante un ciclo de tratamiento.
MATERIALES Y MÉTODOS
Descripción del reactor
El estudio se llevó a cabo a nivel planta piloto para lo cual se utilizó un reactor con capacidad de 1000 l, que se encuentra ubicado en la planta para tratamiento de aguas residuales de Ciudad Universitaria. La alimentación del reactor se realizó de forma discontinua con agua residual doméstica enriquecida con melaza para incrementar y controlar la concentración de materia orgánica, debido a las bajas concentraciones de materia orgánica que presentan la aguas residuales generadas dentro del campus universitario. Esta alimentación es llevada a cabo en la parte inferior por medio de una bomba centrífuga. El nivel de llenado y vaciado es controlado por medio de interruptores de líquidos controlados automáticamente. La purga de lodos es llevada a cabo por la parte inferior por medio de una bomba, además cuenta con un sistema de mezclado por recirculación. El efluente clarificado es descargado por medio de una bomba sumergible montada a un sistema de flotación. Todo este equipo es operado automáticamente por medio de un reloj programable. El sistema de tratamiento se puede observar en la figura 1.
Efluente
Influente Reloj Programable
Purga de lodos
Operación del sistema
El reactor fue operado en forma discontinua con ciclos de 8 horas de duración, consistente en las siguientes etapas: llenado, reacción, sedimentación y vaciado (figura 2). En la tabla 1 se observan las condiciones de operación manejadas en el sistema durante la experimentación.
Tabla 1. Condiciones de operación del reactor SBR fermentador durante el tiempo de experimentación.
PARÁMETRO UNIDADES VALOR
Carga orgánica (CO) kg DQOT / kg SST·d 1.35
Volumen Total (VT) l 982
Volumen de llenado (VLL) l 610
Sólidos Suspendidos Totales (SST)* mg/l 900 Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV)* mg/l 740 Índice Volumétrico de lodos (IVL) ml/g 80 Tiempo de Retención Hidráulico (TRH) min 480 Tiempo de Retención Celular (θC) d 7
Tiempo de llenado (TLL) min 25
Tiempo de reacción (TREAC) min 400
*Se refiere a los SST y SSV del licor mezclado
El reactor se arrancó alimentando agua residual doméstica enriquecida con melaza para lograr una concentración de materia orgánica medida como DQOT de 500mg/l,
característica de este tipo de agua.
La estratificación del reactor fue de acuerdo a (González, 1994) utilizando como parámetro la carga orgánica aplicada, en este caso se estratificó para una carga alta de 1.3 kg DQOT/kg SST·d.
La carga orgánica, esta definida como la cantidad de alimento que se pone a disposición de los microorganismos en un tiempo determinado dentro del reactor, la cual se representa por la Ec. 1 (González, 1994).
C O
V
V
S
SST
LL T o r. .
•
•
=
θ
Ec.(1) donde, θr = tiempo de reacciónSo = concentración de sustrato en el influente
Muestreo y análisis
Para observar el comportamiento del reactor durante la experimentación se realizaron análisis de DQOs, DQOT, , pH,
temperatura, SST, SSV y AGV. Estas determinaciones fueron hechas tanto para el influente como para el efluente en cada ciclo de tratamiento de acuerdo con los métodos normalizados para el análisis de agua potable y residuales (APHA, AWWA y WPCF, 1985) y con los métodos normalizados alemanes para el análisis de agua (Deutche Einheitsverfahren zur wasseruntersuchung,1983).
ETAPA LLENADO REACCIÓN SEDIMENTACIÓN VACIADO Lodos PURGA Efluente Influente
RESULTADOS Y DISCUSIONES
Arranque y estabilización del reactor fermentador.
Con el objeto de producir un sustrato que sea mas fácilmente capturable por las bacterias acumuladoras de fósforo, se arrancó el reactor fermentador alimentando agua residual cruda enriquecida con melaza, y un inóculo de microorganismos procedentes de un sistema de tratamiento con el fin de establecer los microorganismos encargados de producir AGV, estos microorganismos se hicieron crecer bajo la técnica de llenado y vaciado del reactor en condiciones anaerobias con ciclos de ocho horas.
Establecimiento de bacterias productoras de AGV
Para determinar el establecimiento de las poblaciones microbianas encargadas de la producción de ácidos, durante toda la experimentación se monitoreó constantemente la concentración de SST, SSV en el agua residual fermentada al final de cada ciclo de tratamiento, lo que permitió saber si la biomasa estaba desarrollando dentro del sistema, así como los AGV y pH. En la figura 3 se muestra el comportamiento de los SST y SSV, y se observa que en los primeros 10 días la concentración de microorganismos disminuyó con respecto a la cantidad inoculada, esto debido al proceso de selección y adaptación de los microorganismos que se encuentran en el reactor. Lo que indica que solamente sobreviven los fermentadores, pero a partir del onceavo día comenzó a aumentar la concentración, lo que indicaba que poco a poco se estaban estableciendo las bacterias acidogénicas, obteniendo concentraciones de SSV arriba de 1000 mg/l durante los primeros cuarenta días de trabajo continuo. A partir del este día se comenzó a purgar lodos del sistema con la finalidad de no permitir el crecimiento de otros microorganismos indeseables, manteniendo concentraciones cercanas a 400 mg/l durante los siguientes 40 días de trabajo para luego aumentar su concentración y lograr estabilizar el sistema después de 160 días de trabajo constante dentro de un rango de 600 a 700 mg/l de SSV. Un comportamiento similar presentaron los SST los cuales lograron estabilizarse dentro de un rango de 800 a 900 mg/l.
Al mismo tiempo que se analizaron los SST y los SSV, se analizó el pH y los AGV en el efluente para saber si los microorganismos que se establecían en el reactor eran los productores de ácidos,
Figura 3 Comportamiento de los Sólidos Suspendidos Totales (SST) y los Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV) durante la experimentación en el reactor discontinuo fermentador .
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tiempo (días) mg/l SST SSV
y se observó que al mismo tiempo que aumentaban los sólidos también aumentaba la concentración de AGV en el efluente, logrando detectar concentraciones arriba de 200 mg/l después de 80 días de trabajo constante del reactor, para permanecer dentro de un rango de 220 a 280 mg/l de AGV después de 180 días, también se observó que durante este tiempo, el pH comenzó a bajar desde los primeros días de experimentación a causa de la presencia de ácidos dentro del reactor fermentador, permaneciendo durante toda la experimentación dentro de un rango de 5.2 a 5.6 unidades de pH, este comportamiento se puede observar en la figura 4.
En lo que respecta a las especies de AGV presentes en los efluentes de los ciclos, se puede ver en la figura 5 como las especies van apareciendo a medida que baja el pH en el reactor. Se puede observar que durante los 100 primeros días de experimentación las únicas especies presentes eran el ácido acético y propiónico, apareciendo posteriormente el ácido butírico después de día
Figura 4. Comportamiento de los AGV y pH en el efluente durante la operación del reactor SBR
0 50 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tiempo ( días ) AGV ( mg/l) 4 5 6 7 8 pH AGV Efluente pH Efluente
Figura 5. Diferentes especies de AGV y pH en el eflunete del reactor SBR fermentador.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tiermpo ( días ) AGV mg/l 0 1 2 3 4 5 6 7 8 pH Ác. acético Ác. propiónico Ác. butírico pH
110 de operación, al mismo tiempo se presentó el valor más bajo de pH. Al respecto Zoetemeyer, 1992, indica que una fermentación butírica se presenta cuando el pH se encuentra por debajo de un valor de 6. Con base en estos resultados se pudo corroborar que las bacterias establecidas en el reactor eran los microorganismos productores de AGV.
Comportamiento de los productos de la fermentación durante un ciclo de 8 h de tratamiento en el reactor fermentador.
La caracterización de la cantidad y tipos de AGV producidos en el reactor fermentador, es de suma importancia dentro de la fermentación de aguas residuales, para poder ver si se están produciendo los ácidos que se desean.
Producción de AGV y transformación de DQO
Para el análisis de los AGV durante un ciclo de tratamiento se muestreó el reactor durante un ciclo de tratamiento, obteniendo que los AGV en el sistema incrementaron de 140 mg/l que se encontraron al inicio hasta 290 mg/l al finalizar el ciclo después de 8 h de tratamiento. Esta concentración presente al inicio del ciclo se debe a la concentración de AGV contenidos en el remanente que queda en el reactor después de la decantación del efluente fermentado, aumentando posteriormente al transcurrir el ciclo debido a la fermentación de la materia orgánica que entra al tratamiento en el nuevo ciclo.
Durante la fermentación se observó que la materia orgánica medida como DQOs aumenta de 280
a 310 mg/l mientras que la DQOT disminuye de 400 a 370 mg/l, este comportamiento se debe a
que la materia orgánica insoluble es hidrolizada inicialmente por bacterias hidrolíticas presentes en el medio y posteriormente fermentada por bacterias acidogénicas a AGV. En la figura 6 se observan estos comportamiento durante un ciclo de fermentación.
Figura 6. Comportamiento de la DQO sobrenadante, DQO soluble y AGV durante un ciclo de tratamiento.
*Etapa de sedimentación y vaciado 250 300 350 400 450 500 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 Tiempo ( min ) DQO ( mg / l ) 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 AGV ( mg / l ) AGV DQO sobrenadante DQO soluble *
Especies de AGV producidas durante un ciclo
De la cantidad de ácidos producidos durante un ciclo se encontró que el 65% fue ácido acético, 28.85% ácido propiónico y el 6.07% ácido butírico. En Las figuras 7 y 8 se muestra que la mayor concentración de ácido es ácido acético, sustrato preferido por las bacterias acumuladoras de fósforo. Encontrar en más alta concentración a este ácido, puede deberse a que se encuentran en el medio las condiciones de pH y temperatura adecuadas para que los microorganismo fermentadores lleven a cabo esta reacción, debido a que la cantidad y tipo de especies de AGV generados durante la fermentación de aguas residuales se ve afectada por parámetros fisicos, químicos y biológicos. Los que más afectan a esta distribución de especies son el pH y la temperatura. Algunos autores reportan que al aumentar el pH la concentración de ácido acético aumenta y baja la concentración de propiónico mientras que al bajar el pH la concentración de ácido propiónico aumenta y el acético baja, (Dinopoulou, 1988; Chyi y Dague, 1994). En lo que respecta a influencia de la temperatura Dinopoulou, 1988 reporta que al aumentar la temperatura en el reactor aumenta la concentración de ácido acético en el medio y baja la de propiónico.
Figura 7. Comportamiento de las diferentes especies de AGV determinadas en el reactor SBR fermentador durante un ciclo de operación.
*Etapa de sedimentación y vaciado 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 Tiempo ( min ) mg / l Ác. acético Ác, propiónico Ác. butírico *
Figura 8. Porcentaje de cada uno de los ácidos orgánicos en el efluente del reactor fermentador al final de cada ciclo de tratamiento.
65,07% 28,85% 6,07% 0,00% 10,00% 20,00% 30,00% 40,00% 50,00% 60,00% 70,00% 80,00% 90,00% 100,00%
Factores ambientales
Durante el mismo ciclo también se analizaron los parámetros ambientales, pH y temperatura, su comportamiento se puede observar en las figuras 9 y 10, encontrando que el pH tiende a disminuir de 6 a 5.5 a medida que aumenta la concentración de ácidos en el medio durante todo el ciclo. Mientras que la temperatura aumenta de 21.5 a 26.8 oC, condiciones propicias para un buen desarrollo de las bacterias fermentadoras. Algunos autores al respecto dicen que el pH óptimo para obtener una mayor concentración de AGV es un pH neutro (Dinopoulou, 1988). Mientras que Datta, 1981, recomienda que las fermentaciones acidogénicas deben llevarse acabo a temperaturas menor o igual a 25 oC para evitar que la concentración de AGV en efluente disminuya por presencia de bacterias metanogénicas. Aunque Torres y Goma, 1981, dicen que el manejo de temperaturas mesofílicas en el reactor fermentador favorece la acumulación de AGV en el medio. En algunos estudios que se han realizado se reporta que la concentración del AGV en un reactor fermentador de lodos bajó 42% la concentración de AGV en el efluente al disminuir la temperatura de 21 a 14 oC, (Skalsky, 1995).
Con base en estos resultados se puede decir que la concentración de AGV presentes en el efluente del reactor que fermenta agua residuales es buena, ya que la concentración de los ácidos acético y propiónico son las especies que se encuentran en más proporción, por lo que se suministra una mayor cantidad de sustrato de fácil asimilación a las bacterias acumuladoras de fósforo.
Figura 9. Comportamiento del pH en la producción de AGV durante un ciclo de tratamiento en el reactor SBR fermentador.
*Etapa de sedimentación y vaciado 100 150 200 250 300 350 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 Tiempo ( min ) AGV ( mg / l ) 4 5 6 7 pH AGV pH *
Figura 10. Perfil de temperatura y AGV durante un ciclo de tratamiento en el reactor SBR fermentador.
*Etapa de sedimentación y vaciado 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 Tiempo ( min ) AGV ( mg / l ) 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 T oC AGV Temperatura *
CONCLUSIONES Con base en los resultados obtenidos se puede concluir que:
El reactor discontinuo con biomasa suspendida es eficiente para la producción de AGV a partir de aguas residuales domésticas, siempre y cuando se emplee una estrategia de operación adecuada además de que las condiciones fisicoquímicas sean propicias para que se desarrollen la bacterias acidogénicas.
Para obtener una mayor concentración de AGV en el efluente es necesario operar el reactor con una carga orgánica alta debido a que los microrgánismos presentan tiempos de retención cortos, y esto se logra empleando una relación alimento-microorganismo grande. Esto impedirá el crecimiento de bacterias metanogénicas evitando con esto que la calidad del efluente baje, debido a que esta bacterias utilizan como sustrato el ácido acético.
Al manejar la temperatura dentro de un rango mesofílico y un pH dentro de un rango entre 5 y 6 se produce un efluente rico en ácidos acético y propiónico, lo que ayudará a obtener una mejor remoción biológica de fósforo.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue posible gracias al apoyo económico de DGAPA-UNAM.
REFERENCIAS
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