COMPARACIÓN DE TRATAMIENTOS AEROBIOS Y ANAEROBIOS

COMPARACIÓN DE TRATAMIENTOS AEROBIOS Y ANAEROBIOS APLICADOS A LIXIVIADO DE
RELLENO SANITARIO
Borzacconi Liliana, López Iván, Arcia Esteban, Cardelino Luis, Castagna Alvaro, Viñas María
Facultad de Ingeniería, Universidad de la República
J. Herrera y Reissig 565, Montevideo, Uruguay
e-mail: [email protected]
FAX: (00598 2) 715446
RESUMEN
Se ensayaron distintos sistemas de tratamiento biológico para el lixiviado producido en el Relleno Sanitario
de Montevideo. Las características de este lixiviado en el momento de la experiencia eran 20000 mg/L de
DQO, con una relación DBO5/DQO en el entorno de 0.6. Los sistemas de tratamiento ensayados fueron: un
reactor anaerobio del tipo UASB, dos reactores de tipo lodos activados y un sistema de biodiscos. La carga
máxima alcanzada en el reactor UASB fue 9 kgDQO/m3.día, con una eficiencia de remoción en DQO del
80%. En los reactores de tipo lodos activados se presentaron problemas de sedimentabilidad por lo que fue
imposible regular el tiempo de estadía celular. En el sistema de biodiscos se obtuvieron valores de
eficiencia de remoción de DQO soluble del 80%, para una carga óptima de 20 kgDQO/m2.día, con buenas
características de sedimentabilidad de los lodos generados. Durante el período de operación de los
reactores se presentaron cambios en el pH del lixiviado del Relleno lo que afectó la operación del reactor
UASB, no viéndose afectado el sistema de biodiscos. De la comparación de los sistemas ensayados se
concluye que los lodos activados y el reactor UASB presentaron problemas en las características de
sedimentación atribuible posiblemente a la carencia de fósforo, siendo esto crítico para los lodos activados,
el reactor de biodiscos no presentó problemas en las características de sedimentabilidad de los lodos
generados demostrando además más estabilidad que el reactor UASB frente a las variaciones de pH.
Palabras clave: lixiviado, relleno sanitario, tratamientos biológicos, UASB, biodiscos
INTRODUCCIÓN
El diseño de una planta de tratamiento de lixiviado está directamente condicionada al caudal y tipo de
lixiviado generado. Éstos a su vez están determinados por un conjunto de elementos en los que pesan
fundamentalmente la composición de la basura, la forma de operación del Relleno y las condiciones
climáticas del lugar donde se realiza. De acuerdo a lo anterior las características de los lixiviados
generados pueden ser muy diferentes según las condiciones antes mencionadas, siendo otro factor
importante a tener en cuenta el tiempo que lleva depositada la basura.
Existen en la bibliografía numerosas referencias de tratamientos fisicoquímicos de lixiviados (Keenan et al.,
1983; Pohland y Harper, 1985; Contreras et al., 1988) que presentan los inconvenientes del costo de
reactivos químicos y la generación de lodos de difícil disposición. Además, los lixiviados a lo cuales se les
aplica este tipo de tratamiento son en general lixiviados "viejos", en los cuales la relación DBO5/DQO es
baja. En el caso del lixiviado producido en el Relleno de Montevideo la relación está en el entorno de 0.6 lo
que estaría indicando un lixiviado altamente biodegradable, y como las concentraciones de materia
orgánica son altas es aconsejable utilizar métodos de tratamiento biológicos.
Existen variados antecedentes de tratamiento aerobio de lixiviado, desde experiencias de laboratorio a
experiencias a escala real; en este último caso el tipo de tratamiento más extendido es lodos activados o
lagunas aireadas. Los datos reportados en la bibliografía son para lixivados de diferente naturaleza con
valores de DQO entre 3000 mg/L y 48000 mg/L, los tiempos de residencia hidráulicos van 2.5 a 20 días y
las eficiencias de remoción reportadas son mayores al 70% (Boyle y Ham, 1974; Cook y Foree, 1974; Uloth
y Mavinic, 1977; Robinson y Maris, 1983, Maris et al., 1984). En la mayoría de los casos se reporta
remoción de metales por los lodos los que deben ser convenientemente dispuestos. Es de destacar que en
la mayoría de las trabajos citados se hace referencia a la necesidad tratamientos primarios como ser
sedimentación, neutralización y precipitación de metales.
En cuanto al tratamiento anaerobio de lixiviado, la mayoría de las experiencias reportadas son a escala de
laboratorio o piloto (Henry et al., 1987; Kennedy et al., 1988; Chang, 1989; Keenan et al., 1991),
encontrándose ensayos para lixiviados con valores de DQO entre 3200 mg/L y 58400 mg/L en reactores en
su mayoría filtros ascendentes o de tipo híbrido. Las cargas alcanzadas van desde 3 a 22 kgDQO/ m3.día,
con eficiencias de remoción entre 68 y 97%, los tiempos de residencia hidráulicos están comprendidos
entre 1.5 y 2.6 días. Se ha registrado también el comportamiento de un reactor híbrido a escala real para
tratar un lixiviado con concentraciones de DQO de 22800 mg/L, las cargas alcanzadas fueron cercanas a 7
kg DQO/m3.día y se obtuvieron eficiencias de remoción de 80% (Hall, 1992).
Si bien las experiencias de tratamiento anaerobio ofrecen resultados alentadores, en cada caso se
presentan problemas específicos que dependen del lixiviado a tratar. La composición y las condiciones de
generación de lixiviado varían sensiblemente de un lugar a otro por lo que es necesario tanto para el
tratamiento aerobio como para el anaerobio realizar estudios particulares para cada caso. En el presente
trabajo se ensayan dos sistemas de tratamiento aerobio y uno de tratamiento anaerobio, analizándose
ventajas y desventajas de cada uno de ellos.
CARACTERIZACIÓN DEL EFLUENTE
El lixiviado utilizado para los ensayos es el producido por el Relleno Sanitario de la ciudad de Montevideo.
En el momento de realizar las experiencias las características promedio de lixiviado eran las que aparecen
en la Tabla 1.
Tabla 1. Caracterización del lixiviado del Relleno Sanitario de Montevideo
PARÁMETRO
pH
DBO5 (mg/L)
MEDIA
8
10510
MÍNIMO
7.4
3400
MÁXIMO
8.7
16800
DQO (mg/L)
DBO5 : DQO
18550
0.6
3400
0.37
36500
0.76
N-NKT (mg/L)
N-NH4 (mg/L)
1640
1470
770
525
2650
1835
DQO : NH4
13
0
20
P-Ptot (mg/L)
DQO : P
Ntot : P
SO4 (mg/L)
17
1100
126
91
6
780
55
46
51
2800
370
125
AVT (mgHAc/L)
AT (mgCaCO3/L)
6600
9280
1890
4590
12400
14110
AB (mgCaCO3/L)
3330
1560
7620
ST (g/L)
SVT (g/L)
SFT (g/L)
Cl (mg/L)
Cr (mg/L)
Fe (mg/L)
Mn (mg/L)
Ca (mg/L)
Zn (mg/L)
Pb (mg/L)
t (ºC)
21.7
9.4
12.3
3280
2.6
41
10.24
408
3.8
0.51
21
10.5
5.4
5.1
1540
1.3
19
0.72
34
1.5
0.35
16
36.4
22.0
17.8
4360
5.0
111
27.00
785
10.1
2.70
25
La relación DBO5/DQO en el entorno o mayor de 0.6 muestra que buena parte de la fracción oxidable es
biodegradable. La fracción biodegradable está representada fundamentalmente por los Ácidos Grasos
Volátiles.
El pH relativamente alto, comparado con otros lixiviados, puede explicarse por la elevada alcalinidad,
producida fundamentalmente por la presencia de Amonio, lo que le otorga una gran capacidad buffer a
pesar de la elevada concentración de Ácidos Volátiles.
El Nitrógeno no es un nutriente limitante pero sí lo es el Fósforo, que no alcanza los valores recomendados
tanto para procesos aerobios como para anaerobios. En los procesos anaerobios los requerimientos son
menores.
Los metales pesados se encuentran en concentraciones importantes, en particular el Cromo, atribuible a los
desechos de curtiembre y talleres de galvanoplastia.
En general no se trata de un efluente que mantenga características constantes en el tiempo, variando con
la dilución por el agua de lluvia y otros factores.
MATERIALES Y MÉTODOS
Reactor Anaerobio tipo UASB
Se trabajó con un reactor anaerobio del tipo manta de lodos con un volumen de 11,8 L. El reactor es
alimentado en forma intermitente mediante una bomba peristáltica accionada por un temporizador. El gas
es separado y contabilizado por un gasómetro tipo húmedo.
El reactor fue inoculado (aproximadamente un tercio del volumen) con lodo proveniente de un reactor
anaerobio que trata un efluente de una fábrica de producción de levadura. Se realizó un arranque con
aumentos sucesivos de carga hasta alcanzar la máxima, manteniendo un caudal aproximadamente
constante de 6 L/día.
El seguimiento de reactor se realizó mediante determinación de DQO, Ácidos Volátiles y Alcalinidad,
producción y composición de gas, DBO5 y Nitrógeno Amoniacal y total. Las determinaciones se realizaron
de acuerdo a técnicas del Standard Methods (APHA, AWWA, WEF, 1995).
Reactor Aerobio tipo lodos activados
Se utilizaron dos reactores de material acrílico de volumen total de 10 L. Poseen una mampara removible
que los divide en dos secciones: una cámara de aireación y una cámara de sedimentación. La aireación es
suministrada a través de burbujas producida por una piedra porosa ubicada en el fondo de cada reactor. La
agitación provocada por las burbujas de aire permite mantener el licor en estado de mezcla completa.
El seguimiento de los reactores se realizó mediante análisis de DQO, DBO5, Sólidos Suspendidos, Sólidos
Sedimentables, relación F/M, IVL ( Indice Volumétrico de Lodos) y Oxígeno Disuelto.
Los reactores se operaron en una primera etapa en paralelo y posteriormente en serie.
Reactor Aerobio tipo biodiscos
Se utilizó un sistema de biodiscos compuesto por cuatro módulos de doce discos cada uno con un diámetro
de 29 cm y un espesor de 0.5 cm que fueron tratados con un material abrasivo a los efectos de facilitar una
mejor adhesión de la biomasa. El sistema funcionó a una velocidad de 7 r.p.m. con los cuatro módulos en
serie.
El seguimiento de los reactores se realiza mediante análisis de DQO, DBO5, Sólidos, Nitrógeno Amoniacal
y Oxígeno Disuelto.
RESULTADOS
Tratamiento anaerobio: reactor UASB
Los resultados pueden apreciarse en la Fig. 1.
10 0
20
aumento de pH
ajuste de pH
80
60
10
reinóculo
40
kgDQO/m3.d
% remoción
15
5
20
0
0
0
4
8
12
16
20
24
28
32
semanas
DQO
AV
carga
Fig.1 . Comportamiento del Reactor Anaerobio
Se distinguen tres períodos, a saber:
i) un primer período que va desde el arranque hasta el día 108, en la semana 16, caracterizado por un
aumento progresivo de carga hasta valores de 9 kgDQO/m3.d . En este primer período se alcanzaron en
pocos días valores de eficiencia en el entorno del 80% para la remoción de DQO y en general superiores
en la eficiencia de disminución de AV. Las oscilaciones en los valores de la carga se deben a dificultades
en la regulación del caudal y a obstrucciones en las conexiones. Esto puede ser particularmente influyente
en el último tramo del período en que se alcanzaron valores puntuales de 14 kgDQO/m3.d . Cierta
disminución en la eficiencia en este tramo podría indicar que se habría alcanzado la carga máxima
soportada por el sistema. Otra posible causa del descenso en la eficiencia (no excluyente con la anterior)
podría ser el arrastre de sólidos que se venía constatando. Se observó también cierto descenso en los litros
de gas producidos por día.
ii) un segundo período desde el día 109 al día 128 (semanas 16 a 18) de descenso abrupto de la eficiencia.
Coincide con un aumento significativo del pH (8.5 - 9) en el lixiviado proveniente del Relleno y se produce
luego de un importante incendio ocurrido en el mismo. Es probable que las cenizas producidas en el
incendio sean la causa del aumento en el pH, que se mantuvo por más de un mes, pues no se registra
disminución en la cantidad de AV. Con la concentración de Nitrógeno amoniacal del lixiviado a valores de
pH tan elevados se alcanzan concentraciones de Amoníaco libre inhibitorias para los microorganismos
(Heinrich et al., 1990). Se produjo en este período una salida neta de sólidos, especialmente Sólidos
Volátiles. Se modificó asimismo el perfil de sólidos, quizá influido por el menor desprendimiento neto de
gas, asentándose los mismos en el fondo del reactor.
iii) finalmente un tercer período desde el día 129 al 155 (semanas 19 a 22) en el cual, tras ajustar
previamente el pH a la entrada se recupera parcialmente la eficiencia, alcanzándose valores en el entorno
del 45% para DQO y por encima de 60% para AV. No obstante, y muy probablemente debido al lavado y
destrucción de microorganismos producido en la etapa anterior no logran alcanzarse los niveles de la
primera. Luego de estas experiencias se decidió realizar una reinoculación del reactor (día 163, semana 24)
y se comenzó nuevamente con un aumento progresivo de carga.
Tratamiento aerobio: lodos activados
Se trabajó en primer instancia con ambos reactores en paralelo con un tiempo de residencia hidráulico
promedio de 4.2 días. La concentración de entrada varió entre 7500 y 20000 mg/L. Se trabajó con valores
de relación F/M mayores a los reportados en la bibliografía (valores promedio entre 1 y 2 kgDQO/kgSSV.d)
para no utilizar valores de tiempos de residencia hidráulico demasiado elevados, que inviabilizarían
económicamente la aplicación a escala real. Se pretendió utilizar tiempos de residencia celular distintos
pero debido a la muy mala sedimentabilidad de los lodos generados fue imposible regular este parámetro.
Los resultados se observan en la Fig. 2.
80
% remoción
60
40
20
0
0
5
10
15
20
en paralelo
semanasen serie
Fig. 2 . Reactores aerobios de biomasa suspendida
La mala sedimentabilidad podría deberse a la alta concentración del efluente a tratar ya que en las etapas
en que el lixiviado suministrado presentó concentraciones bajas en DQO las características de
sedimentabilidad mejoraron notablemente. A pesar de estos problemas de sedimentación la eficiencia de
remoción en DQO filtrado fue del orden del 55 %.
Para lograr un mayor tiempo de residencia celular los dos reactores se conectaron en serie trabajando con
el mismo caudal. Sin embargo no se solucionó el problema de la mala sedimentación ni tampoco aumentó
la eficiencia de remoción.
Tratamiento aerobio: sistema de biodiscos
El caudal y la concentración de entrada variaron entre los valores de 1.75 a 5.9 L/d y de 7500 a 20000
mgDQO/L. Estas variaciones se realizaron para determinar el valor de carga óptima de funcionamiento del
biodisco. Se representa en la Fig. 3 la eficiencia de remoción para las diferentes cargas, estando el valor
óptimo entre 18 y 20 gDQO/m2.d, con una eficiencia de remoción del orden del 90%. La eficiencia de
remoción promedio en DQO fue de 70% y los resultados se observan en la Fig. 4. El primer módulo se
destacó por un crecimiento mucho mayor de microorganismos. Durante el transcurso de las experiencias el
lixiviado presentó composición variable pese a lo cual el funcionamiento de los biodiscos no se vio
afectado. Tampoco se observaron complicaciones en el período de aumento de pH. Los sólidos presentes
en el efluente de salida de los biodiscos presentan buenas características de sedimentabilidad.
10 0
% remoción
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
carga (g/m2.d)
Fig. 3 . Determinación de la carga óptima para los biodiscos
10 0
40
80
60
20
40
gDQO/m2.d
% remoción
30
10
20
0
0
0
5
10
15
20
25
30
semanas
% remoción
carga
Fig. 4 . Comportamiento de los biodiscos (promedios semanales)
DISCUSIÓN
De la experiencia con el reactor anaerobio se desprende que el tratamiento en este tipo de reactor para un
lixiviado con las características del lixiviado del Relleno de Montevideo es factible para valores de carga
menores a 10 kgDQO/m3.d, obteniéndose eficiencias del orden de 80% par tiempos de residencia
hidráulicos cercanos a 2 días. El tratamiento anaerobio presenta las ventajas propias de estos sistemas, a
saber, no requerimiento de potencia, escasa producción de lodos, mayor estabilización.
Es necesario resaltar la necesidad de controlar el pH del lixiviado antes de que entre al reactor; en este
caso particular el lixiviado posee un alto contenido de Nitrógeno amoniacal y como consecuencia de un
aumento del pH se pueden alcanzar concentraciones inhibitorias de amoníaco libre.
Durante la fase experimental se constató la pérdida de sólidos del reactor lo que estaría indicando
problemas en las características de sedimentación del lodo atribuible a la carencia de fósforo.
Durante el período de operación no se observaron problemas de inhibición debidos a la acumulación de
metales en el lodo siendo recomendable realizar una evaluación con un período más largo de
funcionamiento.
El sistema de biomasa suspendida tipo lodos activados, a pesar de presentar eficiencias de remoción de
DQO soluble relativamente aceptables, tiene el inconveniente de que con altas cargas de trabajo no es
posible separar los sólidos del efluente debido a las muy malas características de sedimentabilidad. En esto
podría influir la carencia de fósforo, destacando además que el requerimiento de fósforo es más exigente
para los sistemas aerobios.
El sistema de biomasa fija tipo biodiscos, presenta buena eficiencia de remoción (90% para la carga
óptima) y gran estabilidad frente a variaciones importantes en la composición del lixiviado y en la carga
orgánica. Durante las experiencias, a pesar de la composición variable del lixiviado, el funcionamiento de
los biodiscos no se vio afectado. Tampoco fue afectado con el aumento de pH observado luego del
incendio del Relleno ni por la presencia de sólidos insolubles en el lixiviado. Los lodos generados
presentaron excelentes características de sedimentabilidad.
Del tratamiento aerobio la opción más conveniente es la de un sistema de Biodiscos, que presenta muy
buenas eficiencias de remoción y es sumamente flexible frente a cambios en el caudal o concentración de
entrada. Presenta además las ventajas intrínsecas de este sistema, a saber: bajo consumo de potencia,
flexibilidad para el acoplamiento o desacoplamiento de módulos y bajas necesidades de mantenimiento y
control. Los sistemas más tradicionales de biomasa suspendida no funcionan bien con altas cargas o
requieren altos tiempos de estadía.
CONCLUSIONES
En función de las experiencias realizadas hasta el momento se considera que es preferible una
combinación de tratamiento anaerobio seguido de un posterior proceso aerobio. En la etapa anaerobia se
consigue una primer reducción de la carga orgánica que puede complementarse luego con el sistema
aerobio. En caso de problemas de funcionamiento en el reactor anaerobio debidos a sobrecargas o
cambios en la composición del lixiviado, un sistema de biodiscos está en condiciones de soportar esas
variaciones. Por otra parte al ubicar en primer lugar la etapa anaerobia se puede lograr una importante
reducción absoluta de la carga sin los inconvenientes de los procesos aerobios tales como la generación de
lodos y el gasto de energía.
Un tema que requiere estudios a más largo plazo radica en los eventuales efectos de la acumulación de
sólidos inorgánicos, ya sean sales de metales pesados que precipitan o materiales de tipo arcillosos que
arrastre el lixiviado. Esto podría afectar las propiedades del lodo orgánico, modificando sus características
de sedimentabilidad. También dependiendo del pH estos metales pueden generar condiciones de toxicidad
para los microorganismos.
Por último, es necesario investigar las consecuencias de un agregado de Fósforo, por tratarse de un
nutriente que se encuentra en el lixiviado por debajo de las proporciones habitualmente recomendadas. El
agregado de Fósforo podría influir en las características de granulación del reactor anaerobio.
REFERENCIAS
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