CO-TRATAMIENTO AEROBIO DE AGUAS RESIDUALES

CO-TRATAMIENTO AEROBIO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES
Y DOMESTICAS
Guzmán, Karin y Guerrero, Lorna
Departamento de Procesos Químicos
Universidad Técnica Federico Santa María
E-mail: [email protected]
Palabras Claves: Co-tratamiento aerobio, Lodos Activados, tratamiento de residuos líquidos industriales.
INTRODUCCIÓN
Generalmente la industria trata o dispone separadamente los residuos líquidos industriales de los domésticos
(producidos en baños y cocina de la planta), que es como la normativa ambiental, en general, lo indica. El
tratamiento de las aguas residuales domésticas producidas en plantas industriales sin alcantarillado suele
consistir en un tratamiento biológico aerobio, previa separación de sólidos suspendidos y posterior
desinfección. En cuanto a los residuos industriales líquidos, no se puede generalizar, ya que el tipo de
tratamiento a aplicar depende de muchos factores, entre ellos, calidad y cantidad de contaminantes, uso
posterior del agua residual, cauce receptor, etc. Si este último debe ser sometido a un tratamiento biológico,
puede analizarse la factibilidad técnica de co-tratar ambas aguas residuales, especialmente si significa un
ahorro en costos de inversión y operación.
En el presente trabajo, se realizó un estudio para determinar la factibilidad de realizar un co-tratamiento
biológico de las aguas residuales domésticas e industriales de una industria química orgánica.
La industria en cuestión posee, para el tratamiento de sus residuos industriales líquidos, una planta de
tratamiento físico-químico (coagulación-floculación y posterior sedimentación), donde elimina gran porcentaje
de los sólidos suspendidos presentes en el agua residual (70 – 80%), pero no cuenta con ninguna operación
unitaria que permita la eliminación de la materia orgánica disuelta, presente en cantidades importantes (hasta
5000 mg/L de DBO). Para el tratamiento de sus aguas cloacales, posee un sistema de lodos activados,
seguido de una desinfección. Por este motivo, se analizó la posibilidad de co-tratar ambas aguas residuales en
una planta de lodos activados, previo conocimiento de la biodegradabilidad y/o toxicidad de la materia orgánica
presente en el residuo industrial y adecuación de la flora microbiana a éste. Respecto a esto último, cabe
señalar que además se debe analizar como se ven afectados los microorganismos con la variabilidad en las
características de las aguas residuales; en la industria se elaboran más de 200 productos diferentes en
distintas épocas del año, lo que origina una composición variable, con una alta carga orgánica (que puede llegar
hasta 8000 mg/L DQO) y una elevada cantidad de sólidos suspendidos (sobre 1000 mg/L).
Para cumplir los objetivos antes planteados, el estudio se dividió en tres etapas:
-
Etapa 1: se realizó la determinación de la biodegradabilidad del residuo industrial líquido, analizando
además, la influencia de la composición en parámetros tales como la velocidad de degradación, pH y otros.
Otra determinación realizada fue la adaptabilidad de los lodos a esta agua, mediante alimentaciones
sucesivas,
-
Etapa 2: en base a los datos anteriores, se operó un sistema de lodos activados a nivel piloto que trató una
mezcla de residuos líquidos industriales y domésticos en distintas proporciones y con distintos tiempos de
residencia hidráulicos (TRHs). Además, se estudió una adecuada puesta en marcha para evitar el colapso
del sistema al alimentar los contaminantes químicos.
-
Etapa 3: esta última etapa se desarrolló en la planta de lodos activados que posee la industria química.
Basándose en lo estudiado en el punto anterior, se procedió a reemplazar paulatinamente parte de los
residuos domésticos por los industriales, para llegar a trabajar con las mismas proporciones antes
estudiadas, y verificar el comportamiento de ésta (en cuanto a degradación de materia orgánica) a distintos
TRHs.
MATERIALES Y METODOS
Características de las aguas residuales
Las aguas residuales provenientes de baños y cocina de la planta, similares a aguas domésticas, tienen las
características indicadas en la Tabla 1. En la Tabla 2 se muestra el rango en el que se encuentran las
características de los residuos líquidos industriales, previamente tratados en la planta físico-química.
Como se puede observar en esta última tabla, el rango de valores para la materia orgánica (DBO) del agua
residual industrial es amplio, lo mismo que se presenta en otras características, como sólidos suspendidos y
sedimentables, sulfatos, etc. Como ya se indicó, esto se debe a la gran cantidad de productos que tiene la
industria química.
Tabla 1
Características de las aguas residuales domésticas de una empresa química
Característica
Unidad
Rango
pH
6-7
Sólidos Suspendidos
[mg/L]
20
Aceites y grasas
[mg/L]
10
DBO5
[mg/L]
80
Fósforo
[mg/L]
11
Nitrógeno
[mg/L]
16
Tabla 2
Características de las aguas residuales industriales de una empresa química
Característica
Unidad
PH
Temperatura
Rango
6.8 - 9.0
[°C]
15 - 25
Sólidos Sedimentables
[mg/L]
0.1 - 150
Sólidos Suspendidos
[mg/L]
10 - 1300
Aceites y grasas
[mg/L]
1.4 - 340
Hidrocarburos
[mg/L]
0.01 - 12.7
DBO5
[mg/L]
150 - 5000
Cianuro
[mg/L]
0.01 -
Fenoles
[mg/L]
0.035 - 0.196
Fósforo
[mg/L]
0.1 - 21
Nitrógeno
[mg/L]
1.75 - 121
Sulfatos
[mg/L]
Sulfuros
[mg/L]
0.02 - 6.3
Detergentes
[mg/L]
0.2 - 5.4
5
54 - 1100
Parámetros de control
Para el control de los diversos sistemas biológicos utilizados, se midieron los parámetros indicados en la Tabla
3, con la periodicidad que allí se indica.
Respecto a la biodegradabilidad, ésta se mide como se indica a continuación:
DQOa - DQOs
% Biodegradabilidad =
• 100
DQOa
Donde DQOa es la demanda química de oxígeno de la alimentación al reactor, y DQOs es la de la salida del
sistema biológico. Este parámetro debe ser indicado siempre con el tiempo en el cual fue medido.
Tabla 3
Parámetros controlados en los sistemas biológicos de tratamiento y su periodicidad
Etapa
Parámetro controlado
Lugar de muestreo
Periodicidad
DQO
Reactor
Diaria
PH
Reactor
Diaria
Sólidos suspendidos totales
Reactor
Día por medio
Sólidos suspendidos volátiles
Reactor
Día por medio
DQO
Entrada y salida del sistema
Diaria
PH
Entrada y salida del sistema
Diaria
Sólidos suspendidos totales
Reactor
Diaria
Sólidos suspendidos volátiles
Reactor
Diaria
Entrada y salida del sistema
Diaria
Primera
Segunda
Tercera
DQO
PH
Sólidos suspendidos totales
Sólidos suspendidos volátiles
Entrada y salida del sistema
Diaria
Piscinas aireación y entrada y
salida del sistema
Piscinas aireación y entrada y
salida del sistema
2 veces por
semana
2 veces por
semana
Equipos y Procedimiento de Cada Etapa
Etapa 1: Para la determinación de la biodegradabilidad de las aguas residuales industriales, se trabaja con un
sistema de 6 mini-reactores de 0.35 L de volumen de operación, operados en forma batch. Un esquema de uno
de estos reactores se muestra en la Figura 1.
El procedimiento seguido para la operación de estos reactores es el siguiente:
-
Se introduce una cantidad de lodos microbianos, de tal manera que la concentración de éstos dentro de
cada reactor sea de 3000 mg/L de sólidos suspendidos volátiles (SSV).
Se completa el volumen del reactor con la muestra de agua a tratar y se comienza la aireación.
Se inicia un control diario determinando DQO, pH y concentración de sólidos suspendidos, tanto los totales
(SST) como los volátiles (SSV).
Finalmente, se detiene el ensayo cuando se logra una estabilización en la biodegradabilidad de la muestra.
Rejilla metálica
Reactor
de vidrio
Difusor de aire
Tapón de goma
Manguera
Aire
Figura 1
Esquema de reactor aerobio utilizado en los ensayos de determinación
de biodegradabilidad de las aguas.
Etapa 2: Esta etapa de la investigación se desarrolla en una planta piloto de lodos activados confeccionada en
acrílico transparente. Esta planta cuenta con un reactor aireado de 2,5 L y un sedimentador de 1,9 L.. Un
esquema detallado se presenta en la figura 2.
Para la operación de este equipo, se sigue el procedimiento descrito a continuación:
-
Se coloca una cantidad de lodos en el sedimentador que permita tener una concentración de éstos de
aproximadamente 4000 mg/L de SSV en el sistema.
Se introducen 3 L de agua a tratar y se deja el equipo funcionando con recirculación constante durante dos
días.
Posteriormente se inicia la alimentación de una muestra y se varía el tiempo de residencia hidráulico.
El control del funcionamiento de la planta piloto se basa en la medición diaria de DQO, pH, sólidos
suspendidos totales y sólidos suspendidos volátiles.
Etapa 3: Las pruebas realizadas durante esta etapa se llevan a cabo en una planta de lodos activados de
capacidad 113 m3 que posee una zona de aireación compuesta por cuatro piscinas y una zona de
sedimentación con dos sedimentadores. En la figura 3 se muestra un esquema de la planta de lodos activados.
Para la operación de la planta, se sigue el procedimiento descrito a continuación:
-
-
Se alimenta una mezcla de residuos industriales y domésticos, con una baja proporción de los primeros
(10%) para lograr la adaptación de los microorganismos. Esta etapa se prolonga durante dos semanas.
Se alimenta una mezcla de residuos industriales (40%) y domésticos (60%) con un TRH de 3 días,
disminuyendo este valor hasta 2 días para una mezcla de 60% residuos industriales y 40% de residuos
domésticos.
El control del funcionamiento de la planta se basa en la medición diaria de DQO, pH, oxígeno disuelto,
sólidos suspendidos totales y sólidos suspendidos volátiles.
Aire
Aireador
Manguera
alimentación
Efluente
Difusores
de aire
Sedimentador
Aire
Tubos
recirculación
Purga de
lodos
Figura 2
Esquema de la planta piloto de lodos activados.
Afluente
Cámara
sedimentación
Retorno de
lodos
Aireador
1
Aireador
4
Sedimentador
1
Aireador
2
Aireador
3
Sedimentador
2
Cloración
Decloración
Zona de
Aireación
Efluente
Zona de
Sedimentación
Figura 3
Esquema de la planta de lodos activados.
RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS
Etapa 1: En las figuras 4 y 5 se muestran los resultados obtenidos al tratar un residuo industrial, en cuanto a la
biodegradabilidad y variación del pH. En ellas se puede observar que la biodegradabilidad máxima (90% en
promedio) se logra a los cuatro días de operación. Al mismo tiempo, se logra una estabilidad en el pH en
valores cercanos a 8,2.
Se alimentó tres veces consecutivas con un agua de igual composición sobre los mismos lodos (ensayos 1,2 y
3) para determinar la adaptabilidad de éstos. Como se puede comprobar en ambas figuras, el comportamiento
de los lodos demuestra que la adaptabilidad de ellos es inmediata.
En las figuras 6 y 7 se muestra la curva de biodegradabilidad y de variación del pH obtenidas al tratar una
mezcla de residuos industriales y agua doméstica. En ellas se puede observar que la biodegradabilidad
máxima (89% en promedio) se logra a los cuatro días de operación. Al mismo tiempo, se logra una estabilidad
en el pH en valores cercanos a 8,4.
De la misma forma que se hizo anteriormente, la mezcla tratada se alimentó tres veces consecutivas sobre los
mismos lodos (ensayos 1,2 y 3) para determinar la adaptabilidad de éstos. Nuevamente se comprueba que los
microorganismos se adaptan de manera inmediata a las distintas composiciones de las muestras.
Biodegradabilidad [%]
Muestra de Residuo Industrial.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo [días]
ensayo 1
ensayo 2
ensayo 3
Figura 4
Curvas de biodegradabilidad aerobia de una muestra de residuo
industrial de DQO 4995 mgO2/L obtenidas en tres ensayos consecutivos,
utilizando los mismos lodos microbianos.
Muestra de residuo industrial.
12
11
10
pH
9
8
7
6
5
4
3
0
1
2
ensayo 1
3
4
5
Tiempo [días]
ensayo 2
6
7
8
ensayo 3
Figura 5
Curvas de variación del pH de una muestra de residuo industrial de
DQO 4995 mgO2/L obtenidas en tres ensayos consecutivos, utilizando
los mismos lodos microbianos.
9
Biodegradabilidad [%]
Mezcla residuo industrial (50%)
y aguas cloacales (50%)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
ensayo 1
4
5
Tiempo [días]
6
7
ensayo 2
8
9
ensayo 3
Figura 6
Curvas de biodegradabilidad aerobia de una mezcla de residuo
industrial y aguas cloacales con DQO de la mezcla de 2614 mgO2/L
obtenidas en tres ensayos consecutivos, utilizando los mismos lodos
microbianos.
pH
Mezcla de residuo industrial (50%) y
aguas cloacales (50%)
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
0
1
2
ensayo 1
3
4
5
Tiempo [días]
ensayo 2
6
7
8
9
ensayo 3
Figura 7
Curvas de variación del pH de una mezcla de residuo industrial y
aguas cloacales obtenidas en tres ensayos consecutivos, utilizando los
mismos lodos microbianos.
Etapa 2: En las figuras 8 y 9 se muestra la variación de la DQO y depuración logradas en la planta piloto, para
distintos tipos de muestras y tiempos de retención hidráulicos. En ellas se puede observar que a partir del día
20, se logra operar en estado estacionario, manteniéndose la depuración en alrededor de 82% hasta el día 46.
Posteriormente, se observa un decaimiento hasta valores de 72% con tiempo de retención hidráulico de 20
días.
En la tabla 4, se indica la nomenclatura y períodos en que se utilizaron distintos tipos de alimentación a la
planta.
Tabla 4
Nomenclatura utilizada para las distintas mezclas alimentadas a la planta piloto.
MA
Período en que se alimenta agua doméstica
Período en que se alimenta una mezcla de agua doméstica (50%) y
residuos industriales (50%)
Período en que se alimenta una mezcla de agua doméstica (20%) y
residuos industriales (80%)
MB
MC
T12
Tiempo de residencia de 12 horas
T20
Tiempo de residencia de 20 horas
T28
Tiempo de residencia de 28 horas
T36
Tiempo de residencia de 36 horas
DQO [mgO 2/L]
MA
T36
MB
T36
MA
T12
DQO
MC
T28
MC
T36
MC
T20
2750
2500
2250
2000
1750
1500
1250
1000
750
500
250
0
DQO
afluente
DQO
efluente
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Tiempo [días]
Figura 8
Curva de variación de la DQO del afluente y del efluente durante la
operación de la planta piloto.
En la figura 10 se puede observar que el pH del efluente se mantiene prácticamente constante alrededor de 7,
independiente del valor del pH del afluente y del comportamiento del reactor.
En cuanto a los lodos, en la figura 11 se observa que después del décimo día de operación de la planta hay un
aumento sostenido. En estado estacionario la concentración de éstos debería ser relativamente constante, lo
que no ocurre por problemas de operación en la purga de los lodos.
Depuración [ % ]
Depuración
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
MA
T36
5
0
MA
T12
15
10
20
25
MB
T36
30
MC
T36
40
35
MC
T28
45
50
55
MC
T20
60
Tiempo [días]
Figura 9
Porcentaje de depuración obtenido durante la operación de la planta
piloto.
pH
pH
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
pH Afluente
pH Efluente
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tiempo [días]
Figura 10
Variación del pH en el afluente y efluente durante la operación de la planta piloto.
Etapa 3: En las figuras 12 y 13 se muestra la variación de la DQO y la depuración durante la operación de la
planta de lodos activados. Se observa que entre los días 25 y 35 de la operación hay una brusca caída en los
porcentajes de depuración, coincidente con un abrupto aumento del caudal de alimentación. Debido a la
infraestructura disponible, no se pudo controlar adecuadamente los caudales de entrada al sistema, por lo que
los resultados antes mencionados se deben a este problema. El resto del tiempo de operación se lograron
depuraciones de hasta un 82%, salvo al final de ésta en donde hay una leve caída debido al menor tiempo de
residencia hidráulico con que se trabajó.
SSV [mg/L]
Sólidos Suspendidos Volátiles
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tiempo [días]
Figura 11
Variación de la concentración de sólidos suspendidos volátiles en el
reactor durante la operación de la planta piloto.
En la tabla 5, se indica la nomenclatura y períodos en que se utilizaron distintos tipos de alimentación a la
planta.
Tabla 5
Nomenclatura utilizada para las distintas mezclas alimentadas a la planta de lodos activados.
Período en que se alimenta a la planta una mezcla de agua doméstica
(40%) y residuos industriales (60%) con un TRH = 2 días.
Período en que se alimenta a la planta una mezcla de agua doméstica
(60%) y residuos industriales (40%) con un TRH = 3 días.
T2
T3
DQO [mgO2 /L]
DQO
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
T3
T2
T3
DQO
afluente
T2
DQO
efluente
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Tiempo [días]
Figura 12
Curva de variación de la DQO del afluente y del efluente durante la
operación de la planta de lodos activados.
60
65
Depuración
100
90
80
Depuración [%]
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo [días]
40
45
50
55
60
65
60
65
Figura 13
Porcentaje de depuración obtenido durante la operación de la planta
de lodos activados.
Caudal de RILES
40
35
Caudal [m3 /día]
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo [días]
40
45
50
55
Figura 14
Caudales de alimentación de residuos industriales a la planta de lodos
activados.
Los problemas antes mencionados no interfieren en los valores de pH obtenidos. En la figura 15 se puede
observar que este parámetro se mantiene prácticamente constante a lo largo de toda la operación de la planta.
pH
12
11
pH
afluente
10
9
pH
efluente
pH
8
7
6
5
4
3
0
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo [días]
40
45
50
55
60
65
Figura 15
Variación del pH en el afluente y efluente durante la operación de la
planta de lodos activados.
CONCLUSIONES y DISCUSIONES.
Etapa 1.
•
Se logró obtener biodegradabilidades para las aguas residuales industriales semejantes a las obtenidas para
aguas domésticas, lo que puede ser indicativo de que los compuestos químicos presentes en los residuos
son de fácil degradación y los que no lo son, están en concentraciones suficientemente bajas para no
ocasionar inhibición de los microorganismos.
•
Se pudo comprobar que los microorganismos aerobios utilizados en los ensayos presentan una
adaptabilidad prácticamente inmediata a distintos tipos de muestras, sean éstas residuos industriales o
mezclas con aguas domésticas, a pesar de la variabilidad en las características de éstas.
•
Al lograr la máxima degradabilidad al cuarto día de operación, se puede estimar que el tiempo de retención
hidráulico a aplicar en un sistema continuo para este tipo de aguas debe estar entre 1 y 4 días.
Etapa 2.
•
Se obtuvo reducciones en la DQO (depuración) del orden de un 80%, para todos las mezclas de residuos
industriales y cloacales, a tiempos de retención hidráulicos entre 36 y 28 horas. Para un TRH de 20 horas,
la depuración decae hasta un 70%, considerándose un valor deficiente para operar la planta.
•
Ante cambios en la alimentación y manteniendo constante el TRH, se obtuvieron iguales porcentajes de
depuración, lo que corrobora que los lodos tienen una buena y rápida adaptabilidad a los distintos sustratos.
•
El pH del afluente varía entre 5,2 y 7. El pH más ácido no ocasionó problemas en el comportamiento de los
microorganismos, lo que lleva a pensar en que las aguas dentro del reactor poseen una adecuada
capacidad tampón.
•
El funcionamiento de la planta con aguas cloacales no produce espuma, lo que sí ocurre cuando se
incorporan los residuos industriales. Esto se evita con la adición de un antiespumante aplicado
periódicamente.
•
Los resultados obtenidos durante la operación de esta planta piloto son similares en cuanto a los
porcentajes de biodegradación obtenidos en la etapa 1, lo que permite reafirmar la factibilidad de co-tratar
aguas residuales industriales y domésticas.
Etapa 3
•
La disponibilidad de instalaciones necesarias para controlar exactamente los caudales de alimentación a la
planta permiten tener solo un control relativo de los TRH con que se trabaja, lo que imposibilitó obtener
mejores resultados.
•
Para los dos tiempos de residencia hidráulicos probados se obtienen finalmente similares porcentajes de
depuración promedio. Sin embargo, con un TRH de 3 días se asegura un funcionamiento eficiente y parejo
de la planta, mientras que con un TRH de 2 días los resultados son menos estables y más sensibles a las
variaciones de la alimentación.
•
Al igual que para la planta piloto, la incorporación de residuos industriales a la alimentación produce la
formación de espuma en la zona de aireación, lo que es controlado adicionando antiespumante a las
piscinas.
•
Los porcentajes de depuración logrados pueden eventualmente ser mejorados si se empleara un sistema
de acumulación de las aguas que se alimentan a la planta para evitar las bruscas fluctuaciones que se
tienen. Además, un cambio en las condiciones de operación puede ser positivo en el sentido de mejorar la
depuración que se logra con la planta de lodos activados.
La diversidad de productos que se producen en la empresa donde se realizó la investigación implica que los
residuos líquidos tienen también una composición muy variada. Esto podría perjudicar su tratamiento en una
planta biológica; sin embargo, se pudo comprobar que a pesar de esto, el tratamiento con lodos activados
arroja buenos resultados. Basándose en ellos, se puede asegurar que el co-tratamiento aerobio de aguas
residuales industriales y domésticas es perfectamente factible de realizar en un sistema de lodos activados, no
sólo para los residuos de la empresa estudiada, sino que se puede extender a otro tipo de industria. Se
recomienda eso sí, realizar estudios de tratabilidad de los residuos industriales en sistemas similares a los
utilizados en las etapas 1 y 2 de este trabajo. También es recomendable realizar estudios de toxicidad de las
aguas, si se tiene la certeza de la presencia de compuestos químicos tóxicos para la población microbiana.