IV-Donoso-Chile-1
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES URBANAS EN UN REACTOR
ANAEROBIO SECUENCIAL (ASBR)
Andrés Donoso Bravo (1)
Ingeniero Civil Bioquímico. Estudiante Doctorado en Ciencias de la Ingeniería con Mención en Ingeniería Bioquímica. Escuela de Ingeniería Bioquímica. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso.
Dr. Marta Carballa Arcos
Becaria Postdoctoral. Escuela de Ingeniería Bioquímica. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso.
Dr. Gonzalo Ruiz Filippi
Profesor adjunto. Escuela de Ingeniería Bioquímica. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso.
Luis Pulgar Quiroz
Ingeniero Civil Bioquímico. Escuela de Ingeniería Bioquímica. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso.
Luis Gas González
Ingeniero Civil Bioquímico. Escuela de Ingeniería Bioquímica. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso.
Dr. Rolando Chamy Maggi
Profesor titular. Escuela de Ingeniería Bioquímica. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso.
Dirección postal del autor principal (1): Escuela de Ingeniería Bioquímica. PUCV. General
Cruz 34. Valparaíso, Chile. Teléfono: (+56) (032) 273819. Fax: (+56) (032) 273803. E-mail: andres.donoso.b@mail.ucv.cl.
RESUMEN
El reactor anaerobio secuencial por lotes (ASBR) presenta potenciales ventajas sobre otro tipo de reactores anaerobios, destacándose la flexibilidad de operación que presenta y que la reacción y sedimentación ocurren en una misma unidad. Esta característica operacional puede facilitar la aplicación de estos sistemas para el tratamiento de residuos, sólidos o líquidos, que no han sido tratados eficazmente en los reactores anaerobios convencionales (CSTR, UASB). Un ejemplo serían las aguas residuales urbanas que, además de presentar bajas cargas orgánicas (300-600 mg DQO/L), la mayor parte de esta materia orgánica (un 70%, aproximadamente) está presente de manera particulada. Todo esto unido a que las temperaturas de tratamiento están por debajo del rango óptimo de la digestión anaerobia (33 – 35°C) hace que la hidrólisis se convierta en la etapa limitante del tratamiento.
Se implementó un reactor de 6 L de acrílico, el cual fue inoculado con un lodo granular proveniente de un reactor UASB de tabacalera (0,9 mg DQOCH4/g SV·d). La alimentación está constituida por un efluente sintético que usa patata como fuente de carbohidratos y material particulado, formulado de tal forma que simula las características típicas de las aguas residuales urbanas (300-800 mg DQO/L y 200-300 mg SST/L). El ciclo de operación de un ASBR consta de 4 etapas: alimentación, reacción, sedimentación y descarga (eventualmente se adiciona un tiempo muerto para mantención). La operación del reactor se encuentra completamente automatizada a través de un PLC, y se considera el incremento paulatino de la velocidad de carga orgánica (VCO) aplicada aumentando el número de ciclos de operación por día. Durante la puesta en marcha, se operó con 1 ciclo/d, condición que se corresponde con una VCO de 0,4 kg DQO/m3·d. Las remociones de DQO total, soluble y sólidos suspendidos fueron 50, 54 y 55%, respectivamente, y los parámetros de estabilidad, alcalinidad total (600 mg CaCO3/L), pH (7,2) y razón alfa (0,2) indicaron que la operación del reactor era estable. Por lo tanto, se decidió aumentar la carga al doble, condición que se encuentra actualmente en operación. Los primeros resultados obtenidos son similares a los hallados en la etapa anterior.
INTRODUCCIÓN
Las aguas residuales urbanas representan uno de los mayores focos de contaminación debido al caudal generado y al continuo crecimiento de las ciudades. Se trata de un efluente diluido con una Demanda Química de Oxígeno (DQO) que oscila entre 300 y 800 mg/L, de la cual una importante fracción (hasta un 80%) corresponde a material suspendido (Zeeman et al., 1997). Para el tratamiento de aguas residuales urbanas se han aplicado fundamentalmente tratamientos aerobios, en especial sistemas de lodos activados, los cuales son eficientes en el proceso de degradación pero costosos en inversión y operación. Estos tratamientos han sido implementados con éxito en grandes y medianas ciudades; sin embargo, en pequeñas ciudades y áreas rurales, por economía de escala, esta tecnología resultaría en un costo demasiado elevado. Por lo tanto, la búsqueda de tecnologías alternativas eficientes y de bajo costo se hace indispensable para el tratamiento de las aguas residuales en pequeñas localidades.
Desde su aplicación inicial para estabilizar los lodos procedentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, los procesos de digestión anaerobia han experimentado un desarrollo notable en las últimas décadas. Actualmente, la digestión anaerobia es una tecnología consolidada y aplicada a una gran variedad de residuos, ya que posee claras ventajas comparativas sobre los procesos aerobios convencionales. Por ejemplo, no requiere oxígeno, lo que implica una disminución en los costos de inversión y operación por concepto energético, se produce biogás (potencial combustible), el rendimiento de sustrato en biomasa es más bajo, lo que implica una menor generación de lodos, el lodo generado se encuentra más estabilizado, y se pueden aplicar mayores velocidades de carga orgánica (hasta 40 kg DQO/m3·d) lo que permite trabajar con reactores de menor volumen.
Debido a que las aguas residuales urbanas son efluentes diluidos con un alto contenido en material particulado y que, en condiciones templadas de temperatura, la etapa hidrolítica de la digestión anaerobia se ve mayormente afectada, hace que este tipo de residuos sean considerados de lenta biodegradación. Por esta razón, la aplicación de la digestión anaerobia para el tratamiento de aguas residuales urbanas se restringe sólo a algunos países con clima tropical, en donde se han implementado principalmente reactores continuos tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed).
El reactor anaerobio secuencial por lotes (Anaerobic Sequencing Batch Reactor, ASBR), a diferencia de otros reactores (UASB, EGSB), funciona por ciclos y no en flujo continuo (Sung y Dague, 1992). Cada ciclo de operación se divide en cuatro etapas: (1) Alimentación: el afluente es alimentado al reactor; (2) Reacción: etapa de tiempo variable en donde ocurre, en mayor grado, la degradación de la materia orgánica; (3) Sedimentación: se para la agitación y la biomasa decanta, separándose del efluente clarificado; y, (4) Descarga: el efluente depurado (clarificado) es retirado del reactor.
Este tipo de reactor presenta ciertas características particulares que lo hacen ventajoso frente a los sistemas convencionales continuos, tales como:
• Posee una gran flexibilidad de operación, modalidad batch o fed-batch, pudiendo lograrse la adaptación de la biomasa a un determinado tipo de sustrato.
• Permite un mejor control del proceso y una mejor calidad del efluente, ya que la descarga puede ser llevada a cabo cuando el efluente presenta los estándares requeridos.
• La biomasa se encuentra en un estado dinámico de abundancia y escasez de sustrato, simulando de mejor manera el estado fisiológico natural de los microorganismos. • La operación puede llevarse a cabo sin recirculación de sólidos ni de líquido, a menos
que ésta se utilice como agitación.
• La etapa de sedimentación se realiza dentro del mismo reactor por lo que no es necesario una unidad aparte.
• Se puede conseguir la eliminación de la etapa de sedimentación, con la consiguiente disminución del tiempo de cada ciclo, mediante la utilización de biomasa inmovilizada en soportes (Anaerobic Sequencing Batch Biofilm Reactor, ASBBR).
La flexibilidad de operación de los reactores ASBR posibilita la adaptación de estos sistemas para la degradación de diferentes sustratos, tales como efluentes diluidos o residuos sólidos ó semisólidos. Además, considerando una cinética tipo Monod (Ec. 1), al comienzo de la etapa de reacción se favorecerá la velocidad de reacción ya que la concentración de sustrato será la máxima, a diferencia de un reactor continuo donde siempre se trabaja con la concentración de sustrato de salida (valor bajo del orden de Ks), que disminuye la velocidad del proceso. Esta ventaja cinética permite suponer que un ASBR puede alcanzar mayores productividades con sustratos diluidos de lenta biodegradación, para los que los reactores convencionales no han resultado totalmente eficaces, ya sea por problemas de transferencia de masa o hidráulicos.
S
Ks
S
m+
⋅
=
µ
µ
(1)Donde µ: velocidad específica de crecimiento (1/d). µm: velocidad específica máxima de crecimiento (1/d). S: concentración de sustrato (mg/L).
KS: constante de afinidad (mg/L).
El objetivo principal del trabajo es estudiar el comportamiento de un reactor ASBR bajo diferentes condiciones de operación (velocidad de carga orgánica aplicada y temperatura) para el tratamiento de aguas residuales urbanas.
METODOLOGÍA
Se implementó un reactor de 6 L de volumen total (5 L de volumen útil) con una altura de 37 cm y un diámetro interno de 17 cm (Figura 1). El reactor posee una chaqueta concéntrica para el control de la temperatura por medio un baño termostático. El mezclamiento se realiza por recirculación del líquido de reacción, de manera de minimizar el esfuerzo de corte sobre la biomasa. La alimentación se realiza desde un estanque de almacenamiento refrigerado y el sistema cuenta con control de pH. Durante la operación, se monitorean diariamente los siguientes parámetros: pH, temperatura y presión de gas. Periódicamente se sigue la concentración de materia orgánica total y soluble (DQOt y DQOs), sólidos suspendidos, alcalinidad, ácidos grasos volátiles y composición de biogás.
Se inoculó el reactor (20% v/v) con una mezcla de lodo procedente de un reactor UASB de una tabacalera y lodo preaclimatado en operaciones previas del reactor. Las características del inóculo son: 50 g SSV/L y 0,9 g DQOCH4/g SV·d).
La duración de cada una de las etapas del ciclo de operación es la siguiente: 18 min de alimentación, 30 min de sedimentación y 45 minutos de descarga. El tiempo de reacción es variable, disminuyendo a medida que se vaya aumentando la VCO y se considera un tiempo muerto de 10 min entre ciclos para mantención.
RESULTADOS
Formulación del efluente sintético
Se estima que un efluente doméstico está formado principalmente por carbohidratos, proteínas y lípidos (Tchobanoglous, 1999). Se eligió una composición porcentual de 60, 30 y 10%, respectivamente, para fijar esta tendencia. Además, se ha considerado un agua residual urbana de carga media (500 mg DQO/L y 300 mg SST/L).
Para la formulación del residuo modelo se utilizó una solución a base de patata (fuente de carbohidratos), que aportaba DQO y sólidos suspendidos al mismo tiempo, y se complementó la formulación con la adición de ovoalbúmina (fuente de proteínas), aceite vegetal (fuente de lípidos) y otros macro y micronutrientes. A partir de datos teóricos de la composición química de la patata y de las especificaciones requeridas para el efluente sintético, se realizaron
balances de masa para cada uno de los componentes, obteniéndose la composición final indicada en la Tabla 1.
Tabla 1: Composición de efluente sintético.
Componente Aporte Concentración
(g/L)
Patata* DQO, Sólidos suspendidos 2,670
Ovoalbúmina DQO 0,080
Aceite vegetal DQO 0,018
Cloruro de amonio N-NH4+ 0,074
Urea N orgánico, DQO 0,032
KH2PO4 Fósforo 0,01
Bicarbonato Alcalinidad 0,5
* Referido a una mezcla 1:1 de agua y patata. Operación del ASBR
El arranque del reactor se realizó con un ciclo de operación por día con renovación total del efluente (4 L, aproximadamente), lo que implica una velocidad de carga orgánica de 0,4 kg DQO/m3.d. Esta fase tuvo una duración de 30 días y en las Figuras 2, 3 y 4 se presentan las concentraciones de DQOt, DQOs y SST, respectivamente, en la alimentación y en el efluente tratado durante esta primera etapa de operación. El DQOt total de la alimentación varió entre 250 y 500 mg/L (Figura 2), hecho que puede ser debido a que al principio la preparación del afluente no estaba totalmente estandarizada o que la homogenización no era adecuada cuando se tomaron las muestras. Los valores de salida variaron entre 100 y 300 mg/L. La relación DQOp/DQOt se mantuvo dentro del valor esperado, cercano a 0,7. La variación en la concentración de sólidos suspendidos totales de la alimentación fue menor, entre 200 y 300 mg/L (Figura 4). Las remociones de materia orgánica total, soluble y sólidos suspendidos obtenidas fueron 50, 54 y 55%, respectivamente. La alcalinidad total se mantuvo estable durante la operación en torno a 600 mg CaCO3/L.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Tiempo (d) D Q O t ( m g/ L) Alimentacion Descarga
Figura 2: DQO total de la alimentación y efluente tratado durante la operación del reactor con VCO de 0,4 kg DQO/m3·d.
0 50 100 150 200 250 300 350 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1516 1718 1920 21222324 2526 2728 2930 Tiempo (d) D Q O s (m g /L ) . Alimentacion Descarga
Figura 3: DQO soluble de la alimentación y efluente tratado durante la operación del reactor con VCO de 0,4 kg DQO/m3·d.
0 100 200 300 400 500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Tiempo (d) S S T ( m g/ L) Alimentacion Descarga
Figura 4: Sólidos suspendidos totales de la alimentación y efluente tratado durante la operación del reactor con VCO de 0,4 kg DQO/m3·d.
Seguimiento de un ciclo de operación
La Figura 5 muestra el seguimiento de las primeras 5 horas de la etapa de reacción de un ciclo durante la primera etapa de operación (1 ciclo/d), en términos de concentración de ácidos grasos volátiles, materia orgánica soluble (DQOt) y pH.
Se observó un leve descenso del pH desde 7,35 hasta 6,95. Esto coincide con la detección de ácido acético, único acido graso detectado con una concentración máxima de 85 mg/L al cabo de media hora, disminuyendo posteriormente hasta valores cercanos a 50 mg/L. La materia orgánica soluble (DQO soluble) mostró un perfil similar.
Los resultados conseguidos hasta el momento son similares a los obtenidos por otros Alvarez
et al. (2004), quienes trataron este tipo de efluentes en reactores UASB, obteniendo
porcentajes de remoción de materia orgánica total cercanos al 60%; sin embargo, Lew et al. (2004) obtuvieron eliminaciones mayores (75%) en reactores hibridos UASB (UASB+Filtro anaerobio).
0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo (h) D Q O s y A c . (m g /L ) 6,9 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 p H Acetico DQOs pH
Figura 5: Seguimiento de la etapa de reacción en un ciclo de operación del reactor en términos de pH, AGV y DQOs.
En la actualidad, el reactor se encuentra operando con 2 ciclos/d y los primeros resultados obtenidos indican una leve mejoría en los índices de remoción con respecto a la etapa anterior. La medición de la producción de biogás no ha podido ser correctamente ajustada debido a la baja producción de biogás obtenida por la baja carga de la alimentación. Dado que este parámetro es importante ya que se encuentra relacionado directamente con el estado fisiológico de los microorganismos, se espera en un futuro reajustar los equipos para conseguir la correcta medición de este parámetro.
CONCLUSIONES
La operación del reactor ASBR con una VCO de 0,4 kg DQO/m3·d ha mostrado eficiencias de remoción cercanas al 50% en materia orgánica total y 55% de sólidos suspendidos totales. La alcalinidad total y el parámetro alfa se han mantenido constantes con valores cercanos a 600 mg CaCO3/L y 0,2, respectivamente.
Sin embargo, la operación de este tipo de reactores requiere especiales precauciones debido a las caídas de presión a las que se ve sometido durante los periodos de alimentación y descarga y a la generaron de zonas muertas si la recirculación no es adecuada.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido desarrollado apoyado por proyecto FONDECYT n° 1050320, Chile
REFERENCIAS
1.- SUNG, S. AND DAGUE, R.R. 1992. Fundamental Principles of the Anaerobic Sequencing Batch Reactor Process. Proc. 47th Ind. Waste Conf., Purdue Univ., West Lafayette, Indiana 2.-TCHOBANOGLOUS, G. 1999. Ingeniería de aguas residuales: tratamiento, vertido y reutilización. McGraw Hill, 3° ed. 1999.
3.- ZEEMAN, G., SANDERS, W.T.M., WANG, K.Y. AND LETTINGA, G. Anaerobic treatment of complex wastewater and waste activated sludge-application of an upflow anaerobic solid removal (UASR) reactor for the removal and pre-hydrolysis of suspended COD. Water Sci. Technol. 35: 121-128. 1997.
4.- ALVAREZ JA, ARMSTRONG E., PRESAS J., GOMEZ M., y SOTO M. Performance of a UASB-digester system treating domestic wastewater. Environ Technol, 2004; 25(10): 1189-99. October 2004
5.- LEW B., S. TARRE, M. BELAVSKI, y M. GREEN UASB reactor for domestic wastewater treatment at low temperatures: a comparison between a classical UASB and hybrid UASB-filter reactor. Water Sci. Technol, 49(11-12): 295-301. January 1, 2004.
