eliminación biológica de nitrógeno y fósforo de aguas

ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO Y FÓSFORO DE
AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS
Carmen H. Cárdenas de Flores: Ingeniera Química, Universidad del Zulia (LUZ) 1977.
Maestría en Ingeniería Ambiental (LUZ) 1990. Especialista en el área de tratamiento de
Aguas Residuales. Profesora titular de la Escuela de Ingeniería Química de LUZ.
Directora del Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia desde 1996.
Tomás Perruolo: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia.
Yolima Tärre: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia.
Keillen Flores: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia.
Alberto Trujillo: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia.
Daysi Isea: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia.
José Delgado: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia.
Centro de Investigación del Agua Ciudad Universitaria, Lagunas de Oxidación. Maracaibo
–Venezuela. Teléfonos: (058-061) 597182 - 597181 (Fax) - 597195 (Oficina) - Apartado
98, email: [email protected], [email protected]
RESUMEN
Se estudió la remoción biológica de nutrientes en el tratamiento de agua residual
doméstica utilizando un Reactor Discontinuo Secuencial (SBR) a escala piloto, con un
volumen de 2000 litros. Los ciclos de operación del reactor consistían en una secuencia
de etapas de llenado, mezcla anaerobia, mezcla aerobia, mezcla anóxica, sedimentación
y vaciado. Se variaron los tiempos de las etapas de mezcla anaerobia, mezcla aerobia y
mezcla anóxica a fin de determinar la influencia de la duración de estas etapas en la
remoción de nutrientes. Los parámetros medidos fueron Demanda Química de Oxígeno
(DQO), Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK),
Nitrógeno en forma de Nitrito (N-NO2 -) y Nitrato (N-NO3 -), Nitrógeno Amoniacal (NNH3), pH, Temperatura, Fósforo Total (P), Sólidos Suspendidos Totales (SST) y Volátiles
(SSV), en las diferentes etapas de cada ciclo de evaluación. Se obtuvo como resultado
que el ciclo que mostró mejor rendimiento fue el que constaba de 1 hora de mezcla
anaerobia, 6 horas de mezcla aerobia y 16 horas de mezcla anóxica, para el cual se
obtuvo valores de remoción promedios de 85% para la DQO, 92% para la DBO, 52% para
el NT, 65% para el N-NO3 - y 67% para el Fósforo Total, demostrándose la
gran utilidad y aplicabilidad de los SBR en la efectiva remoción de materia orgánica y
nutrientes del agua residual doméstica.
Palabras Claves: reactor discontinuo secuencial, nitrificación/desnitrificación, remoción
biológica de fósforo.
INTRODUCCIÓN
El nitrógeno y el fósforo son los principales nutrientes de importancia en el vertido de
aguas residuales tratadas. Los vertidos que contienen nitrógeno y fósforo pueden acelerar
la eutroficación de lagos, ríos y embalses, y estimular el crecimiento de algas y plantas
acuáticas arraigadas a cursos de agua poco profundos. La elevada concentración de
nitrógeno amoniacal en efluentes tratados también puede tener otros efectos negativos,
como son la reducción de la concentración de oxígeno disuelto en las aguas receptoras y
toxicidad para la vida acuática.
En esta investigación se estudió la remoción biológica de nutrientes utilizando un reactor
discontinuo secuencial (SBR) a escala piloto, de dos mil litros. Un SBR es un sistema de
tratamiento biológico de aguas residuales basado en el principio de los procesos de lodos
activados. Comparado con los tratamientos continuos de aguas residuales, es un sistema
relativamente simple y compacto, ya que todos los procesos tienen lugar en el mismo
reactor.
Los SBRs pueden ser usados para remover materia orgánica y nutrientes del agua
residual, pueden tratar grandes flujos y cargas al igual que las plantas de tratamiento
continuo de agua residual, por lo tanto, representan una alternativa eficiente, económica y
muy flexible en el tratamiento de agua residual, tanto doméstica como industrial, siendo
posible su instalación en comunidades donde la instalación de plantas convencionales
resulta costosa (Herrera, 1987; García, 1987; Brener et al., 1992).
En el proceso de tratamiento se utilizó agua residual doméstica real, proveniente de la
región norte de la ciudad de Maracaibo, lo que constituye un aporte importante, dado que
permite evaluar las respuestas del tratamiento ante entradas de carga variable.
El objetivo de esta investigación es optimizar los procesos de eliminación de nutrientes en
el tratamiento de agua residual doméstica, utilizando un reactor discontinuo secuencial
(SBR).
Para el alcance de este objetivo, se estudió la influencia del tiempo de duración de las
etapas de mezcla anaerobia, mezcla aerobia y mezcla anóxica en los procesos de
remoción de nutrientes, se evaluó el desarrollo de los procesos de eliminación de
nitrógeno y fósforo durante cada etapa del tratamiento y la eficiencia de remoción de
nutrientes.
METODOLOGÍA
Características del Reactor
El reactor consiste en una cuba cilíndrica de fibra de vidrio de 1,97 m de altura y 1,20 m
de diámetro con una capacidad de 2000 L. Consta de un arreglo de válvulas de bronce
tipo bola, dispuestas a diferentes alturas del tanque reactor. Una al 50% y otra al 30% de
la altura, con diámetros de 1•• y ¾•• respectivamente, con la finalidad de descargar el
agua tratada. Está dotado de un sistema de bombeo que consiste en una bomba
centrífuga de 1 HP y una tubería de PVC de ½•• de diámetro. De un sistema de
aireación que está constituido por un compresor de 2 HP, conectado a un sistema de
difusión de aire, que consiste en un arreglo de tuberías de PVC de ½••, perforadas y
dispuestas en forma de cruces. Además, de un sistema de mezclado que consta de un
mezclador de acero inoxidable, cuyo eje mide 1 m, y está provisto con una hélice de tres
hojas, conectado a un motor bifásico, de 110 V, 0,5 HP y 1350 rpm.
El proceso de tratamiento de agua residual en el reactor discontinuo secuencial estudiado,
está constituido por las siguientes etapas:
a. Etapa de llenado o alimentación: durante esta etapa se carga el reactor con agua
residual doméstica.
b. Mezcla anaerobia: durante esta etapa se mezcla el agua residual cargada en el
reactor con el lodo, sin suministrar aire al sistema.
c. Etapa de aireación: durante esta etapa se inyecta aire al sistema. El aire suministrado
proporciona un mezclado entre el agua y el lodo.
d. Mezcla anóxica: durante esta etapa se realiza un proceso de mezclado, sin
proporcionar aire al sistema.
e. Etapa de sedimentación: en esta etapa el lodo sedimenta por acción de la gravedad y
se separa del agua residual tratada, obteniéndose un sobrenadante clarificado.
f. Etapa de vaciado: durante esta etapa se retira el agua residual tratada (sobrenadante),
a través del sistema de descarga. Durante la investigación se trabajó con una edad de
lodo de 20 días.
Definición de los Ciclos de Operación del Reactor
En el estudio se variaron los tiempos de las etapas de mezcla anaerobia, mezcla aerobia
y mezcla anóxica, con la finalidad de determinar la influencia de la duración de estas
etapas en la remoción de nutrientes.
Tabla 1. Tipos de ciclos estudiados
Duración de las etapas (h) Tipo de ciclo M.
anaerobia M. aerobia M. Anóxica
A 1 19 1B 2 15 3C 1 6 16
RESULTADOS
Tabla 2. Resultados de la evaluación del reactor discontinuo secuencial en cada
ciclo estudiado Parámetro (mg/L) Ciclo Etapa PT NTK NH3 NNO2 - NNO3 - NT DBO520 DQO OD SST SSV
Llenado 7,47 25,65 22,91 0,04 0,121 25,81 131 315 - - Anaerobia 8,17 - - - - - - - - - Aerobia 6,65 1,14 0 0,005 21,02 22,17 10 19 2,6 1994 1680 A
Salida 6,20 0,82 0 0 20,24 21,06 5 12 - - %Remoción 17 97 100 - - 18 96 96 - - Llenado 9,30 28,73 23,70 0,033 0,096 28,86 187 368 - - Anaerobia 9,36 - - - - - - - - - Aerobia 8,19 2,56 0 0,011 18,24 20,81 4 13 2,6 1975 1661 B
Salida 8,40 1,6 0 0,076 14,01 15,69 2 8 - - %Remoción 10 94 100 - - 46 99 98 - - Llenado 7,50 49,18 44,67 0,016 0,039 49,24 130 276 - - Anaerobia 10,68 - - - - - - - - - Aerobia 2,41 16,8 16,25 1,438 13,71 31,95 6 38 - 1995 1675 C
Salida 2,5 17,29 16,73 0,375 5,89 23,56 9 40 - - %Remoción 67 65 63 - - 52 92 86 - - En la tabla 2 se expresan los resultados de los parámetros medidos para cada uno de los
tipos de ciclos estudiados siguiendo la metodología descrita por el Standard Methods for
Examination of Water and wastewater (1999).
Materia Orgánica: Para determinar la carga orgánica en el sistema se midieron los
parámetros DBO5-20 y DQO. En la Tabla 2 se aprecia que el tipo de ciclo B presentó
mayores porcentajes de remoción de materia orgánica con 99% para la DBO5-20 y 98%
para la DQO; no obstante, los otros dos tipos de ciclos también presentaron buenos
porcentajes de remoción. Lo que demuestra que los SBRs son eficientes en la remoción
de materia orgánica de agua residual doméstica (Louzeiro et al., 2002; Castelló et al.,
2002).
Nitrógeno: Se estudio la remoción biológica de nitrógeno mediante los mecanismos de
nitrificación y desnitrificación. Para el estudio de estos procesos se midieron los
parámetros NTK, N-NH3, N-NO2 -, N-NO3 -, pH y T para cada uno de los ciclos
estudiados.
Proceso de Nitrificación: Para los tipos de ciclo A y B la remoción de nitrógeno
amoniacal fue completa, en la Tabla 2 se puede ver que la concentración de nitrógeno
amoniacal en la salida del sistema para estos tipos de fue cero. Para el tipo de ciclo C se
tuvo menor porcentaje de remoción de nitrógeno amoniacal (63%), con una concentración
en la salida de 16,73 mg/L. La disminución del tiempo de aireación de diecinueve y quince
horas para los tipos de ciclos A y B a seis horas para el tipo de ciclo C, desfavoreció el
crecimiento de las bacterias nitrificantes disminuyendo así el porcentaje de transformación
de nitrógeno amoniacal. Por otra parte el oxígeno es la variable más importante en el
proceso de nitrificación (Collí et al., 2002).
En esta investigación se suministró oxígeno al reactor sin control, es decir, la razón de
flujo de aire era constante y la concentración de oxígeno en el reactor cambiaba con la
proporción de uso del oxígeno. El oxígeno disuelto en el reactor durante el período de
nitrificación fue cero, para el tipo de ciclo C. Para los tipos de ciclo A y B, la etapa de
aireación fue más larga, y el método de suministro de oxígeno fue el mismo que para el
tipo de ciclo C. Durante los períodos de aireación, de los tipos de ciclos A y B, se observó
que una vez que el N-NH3 se agotaba, la concentración de oxígeno disuelto en el reactor
se incrementaba. Esto se debe a que cuando el suministro de oxígeno es limitado, la
razón de uso de oxígeno para la oxidación del amonio es mayor que la razón de
suministro del mismo, pero cuando se ha consumido casi todo el amonio, la concentración
de oxígeno disuelto en el reactor se incrementa. Un hecho importante que se observó en
todos los tipos de ciclos estudiados, fue la pérdida de nitrógeno en la etapa de nitrificación
(Wachtmeister et al., 1997)
En la Figura 2, se aprecian estas pérdidas, así como el tiempo de duración de la etapa
aerobia para cada tipo de ciclo, en ella se puede ver que para el tipo de ciclo A las
pérdidas son aproximadamente del 14%, para el tipo de ciclo B del 31% y 33% para el
tipo de ciclo C. Estos resultados indican que probablemente la duración de la etapa
aerobia tuvo influencia en estas pérdidas, en conjunto con el método de suministro de
oxígeno.
Proceso de Desnitrificación: En la Tabla 2 se aprecia que el proceso de desnitrificación
fue extremadamente bajo, se aprecia que la concentración de nitrato permanece
relativamente constante para el tipo de ciclo A. En cuanto al tipo de ciclo B, se puede
observar que la desnitrificación se dió aunque en un nivel bajo, disminución de la
concentración de nitrato de 18,24 mg/l a 14,01 mg/l, sin embargo, para el tipo de ciclo C,
se logró la desnitrificación en un mayor grado, con respecto a los otros tipos de ciclos. El
Las diferencias en el desempeño del reactor para la desnitrificación en los tres tipos de
ciclos, está asociada a la duración de la etapa anóxica de cada uno de éstos. Como ya se
mencionó anteriormente, la etapa anóxica para el tipo de ciclo A fue de una hora, de tres
horas para el tipo de ciclo B y de dieciséis horas para el tipo de ciclo C, esto muestra que
mientras más larga es la etapa anóxica mejor se da el proceso de desnitrificación (Collí et
al., 2002; Lin y Ping, 2001; Jeon y Park, 2000).
05101520253035A B C
Tipo de ciclo
Pérdidas de nitrógeno (%)
036912151821Tiempo de aireación (h)%Pérdidas
Tiempo deaireación (h)
Nitrógeno Total: En la Tabla 2 se exponen los porcentajes de remoción de nitrógeno total
(NT) para los tipos de ciclos estudiados, registrándose el mayor porcentaje de remoción
de NT en el tipo de ciclo C. Sin embargo, es importante señalar que para este tipo de ciclo
la nitrificación fue incompleta (63%), no obstante, el proceso de desnitrificación fue mejor,
obteniendo la menor concentración de N-NO3
- en la salida.
Fósforo: En la Tabla 2 se exponen los porcentajes de remoción promedio de fósforo total
para cada tipo de ciclo evaluado. El mayor porcentaje de remoción de fósforo se tiene
para el tipo de ciclo C. Esto puede deberse a que para este tipo de ciclo se trabajó con
largas etapas anóxicas, durante las cuales el reactor se pudo comportar como un
fermentador, lo que originó la producción de ácidos grasos volátiles, que quedaban en el
volumen de agua que no se extraía del reactor. Esto pudo ocasionar también la mayor
liberación de fósforo por parte de los microorganismos en la etapa anaerobia, del
siguiente ciclo, favoreciéndose así la remoción de fósforo total (Kuba et al., 1997;
Rittmann y McCarty, 2001)
CONCLUSIONES
1. Los tres tipos de ciclos estudiados fueron eficientes en la remoción de materia
orgánica, pero el tipo de ciclo B tuvo el mejor comportamiento, con porcentajes de
remoción de 99% para la DBO5-20 y 98% para la DQO.
2. Para los tipos de ciclo A y B la nitrificación fue completa, y para el tipo C la eficiencia de
nitrificación promedio fue de 58%, debido al método de suministro de oxígeno utilizado y
al menor tiempo de duración de la etapa aerobia en este tipo de ciclo.
3. El proceso de desnitrificación fue deficiente para el tipo de ciclo A. Para el tipo de ciclo
B la desnitrificación se dio, aunque en un nivel bajo. Para el tipo de ciclo C, el proceso de
desnitrificación se logro, en un mayor grado, con respecto a los otros dos tipos de ciclos,
siendo este tipo de ciclo el que tuvo menores concentraciones de N-NO3
- en la salida.
4. El mayor promedio de remoción de nitrógeno total fue el del tipo de ciclo C (52%),
seguido del tipo B (46%) y por último el tipo A (18%).
5. El mayor porcentaje de remoción de fósforo se tuvo para el tipo de ciclo C (67%), dado
que las condiciones de operación favorecieron el crecimiento de las bacterias
acumuladoras de fósforo.
6. El SBR utilizado presentó gran aplicabilidad en el tratamiento del agua residual
doméstica, específicamente en la remoción de la materia orgánica y los nutrientes, debido
a su flexibilidad y versatilidad para adaptarse a distintas condiciones de operación.
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