reducción simultanea de dbo(c), nh4 , y desnitrificación en

REDUCCIÓN SIMULTANEA DE DBO(C), NH4+, Y
DESNITRIFICACIÓN EN UN REACTOR DE BIOPELÍCULA:
Marcelo J. Ambrosio
Marcos A. Zar N° 1663 – Pto. Madryn - Chubut
[email protected]
Iñaki Tejero Monzón
Ada. De los Castros s/n – Santander – Cantabria - España
[email protected]
Palabras Claves:
Biopelícula, lecho aireado, biofiltro, DBO(c), nitrificación
RESUMEN
+,
Se estudió la eficiencia de eliminación de DQO, NH4 nitrificación y desnitrificación de un Reactor
Biológico de Lecho Aireado Sumergido (BLASII), alimentado con Agua Residual Sintética (ARS) y
2
operando en estado estacionario, con baja Carga Orgánica Alimentada (COA 15 - 20 g DQO/m día),
+
2
y Carga de Nitrógeno Alimentado (CNA N-NH4 1 - 3 g/m día).
En condiciones aeróbicas - anóxicas en el seno de la fase líquida, la Carga Orgánica Eliminada
+
(COE) fue del 96% al 98%, la Carga de Nitrógeno Eliminada (CNE) (N-NH4 ) de 88% al 99%, la
nitrificación fue mayor al 90% y la desnitrificación de 40% a 72%.
En condiciones aeróbicas - anóxicas - anaerobias la COE fue de 85 al 90% de la COA, la CNE de
15% al 34%, la nitrificación se redujo a menos de 7.5% y no se detectó desnitrificación.
GENERALIDADES
En los Reactores de Biopelícula fija, la biomasa se encuentra adherida a la superficie del soporte.
• Como ventaja presentan: bajo mantenimiento, rápida puesta en marcha, tolerancia a operar con
cargas variables y discontinuas, y reducida producción de sólidos.
• Sus inconvenientes son: sensibilidad frente a sustancias tóxicas, desprendimiento masivo, y
atascamiento del lecho
Un Reactor Aireado de Biopelícula fija (BLAS II), fue desarrollado por el Grupo de Biopelícula de la
E.T.S de I.C.C.Y.P. de la Universidad de Cantabria, con el objetivo de maximizar la superficie activa,
y obtener un proceso con baja producción de fangos, con la posibilidad de operar sin sedimentación
secundaria.
OBJETIVOS
•
•
Estudiar la operación del Reactor Aireado de Biopelícula Fija operando con Agua Residual
Sintética (ARS), y caracterizarlo
Correlacionar el rendimiento de reducción de carga orgánica y nitrogenada, nitrificación y
desnitrificación con las condiciones de operación.
METODOLOGÍA
Descripción del reactor
Las paredes del reactor fueron construidas con metacrilato, con una estructura de acero inoxidable
sobre la que se fija el soporte. El volumen de reacción es de 31.2 l, el área específica del soporte
2
3
2
68 m /m , y la superficie soporte 2.12 m (estructura reticular de polietileno).
Agua residual sintética (A.R.S)
En las experimentaciones el sistema se alimentó con agua residual sintética, para lograr la mayor
uniformidad (concentración y composición), permitiendo realizar los ensayos con carga orgánica
alimentada (C.O.A) constante (Fig. N°1).
Las ventajas de trabajar con ARS son:
§ facilidad de preparación y suministro
§ simplificación del análisis de los procesos de depuración - eliminación de materia orgánica
carbonosa y nitrógeno (al conocer la composición de la fuente de aporte)
§
simplificación del balance de sólidos
proceso).
(que se limita en este caso al fango generado en el
El agua madre se preparó con los siguientes compuestos: glucosa (C6H12O6 ), cloruro de amonio
(NH4Cl), solución reguladora de Na2HPO4 y KH2PO4, CaCl2, y oligoelementos a partir de sales:
MgSO4 (anhidro), MnSO4. H2O, FeCl3 . 6 H2O.
Parámetros del proceso
Se
§
§
§
§
§
§
§
§
§
§
controlaron los siguientes parámetros y variables de operación
Caudal
Tiempo de retención hidráulica
Tasa de Recirculación
Carga hidráulica :
C.H.
2
Carga orgánica afluente :
C.O.A. (g DQO - /m d )
2
Carga Nitrógeno afluente :
C.N.A. (g N- NH4 /m d )
Pérdida de carga en el reactor
Oxígeno aportado.
2
Carga orgánica eliminada :
C.O.E (g DQO - /m d )
2
Carga Nitrógeno eliminada :
C.N.E (g N- NH4 /m d )
Determinaciones Analíticas
Para cada una de las corrientes de entrada y salida del reactor se determinó el valor de los
+
parámetros físicos y químicos (t°C, OD, Alcalinidad, pH, Potencial redox, NH4 ,NO3 , NO2 , SST y
DQO), de acuerdo a las técnicas del Standard Methods de la A.W..W.A.
ENSAYOS
Estrategia de operación.
El sistema se operó en condiciones de estado estacionario, que se verificó cuando los parámetros
físico - químicos dentro del reactor, pérdida de carga, se mantuvieron aproximadamente constantes.
De acuerdo al régimen de flujo esperable en el reactor (Reactor Flujo Pistón), y con el objeto de
evitar sobrecargas en los niveles superiores del mismo, se trabajó con una tasa de recirculación
proporcional a la concentración del A.R.S., respectivamente %R 200, 400 y 800 para S ARS de 100,
200 y 400 mg DQO/l.
La recirculación se tomó del flujo de salida del decantador lamelar (SD) (Fig. N°1), con el objetivo de
que los valores de SFE se encontraran entre 35 y 45 mgDQO/l.
La pérdida de carga dentro del reactor (en condiciones de operación constante), se utilizó como
índice del aumento o disminución de la biomasa dentro del sistema.
Condiciones de operación del reactor
Se operó en estado estacionario, la concentración de DQO en la alimentación (S DQO FE) fue 100mg/l,
200mg/l, 400 mg/l y los %R 200, 400 y 800% respectivamente.
§
Ensayos N° 1, 2, 3 y 4: aireación continua (condiciones aeróbicas - anóxicas en el seno de la
fase líquida). El OD en el ingreso, zona central y egreso del reactor fue: ODFE = 7.2 mg/l, OD1/2R
= 3 mg/l y ODFS = 7.8 mg/l. . En el ensayo N° 4, la concentración de nitrógeno en el agua
+
madre fue SNH4 620 mgN-NH4 /l.
Parámetro \ Ensayo
Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Ensayo 4
2
Carga Orgánica C.O.
(g. DQO/m día)
Carga volumétrica
(kg DQO/m día)
16
16
16
16
1.09
1.09
1.09
1.09
400
800
200
200
0.88
0.79
1.07
1.07
0.0068
0.0068
0.0068
0.0068
3450
3450.
3450
3450.
34
34
34
34
0.118
0.059
0.236
0.236
200
400
100
100
0.59
0.53
0.71
0.71
3
3
3
3
3
Tasa de recirculación
%R
Carga hidráulica (secc.reacc.)
C.H. (m /m h)
Agua Madre
A.M.
Caudal agua madre
QA.M. (l/min.)
Concentración de agua madre
SA.M. (g.DQO/día)
3
Carga orgánica de agua madre
2
(g.DQO/día)
Agua Residual Sintética
A.R.S.
Caudal agua residual sintética
QA.R.S (l/min)
Concentración de ARS
SA.R.S. (mg.DQO/l)
Caudal afluente al reacto Q0
(l/min)
Aire
Caudal medio de aire
Qm.aire (l/min.)
Tabla N° 1
§
Ensayos N° 5 y 6 : aireación intermitente (condiciones aeróbicas - anóxicas - aeróbicas en el
seno de la fase líquida).El OD en el ingreso, zona central y egreso del reactor fue: ODFE =6.6
mg/l, OD1/2R =1.2 mg/l y ODFS =2.7 mg/l.
+
En los ensayos N° 4 y 5 se aumentó la concentración de NH4 para que la CNA fuera de
2
2
2.5gN/m día y 3,2gN/m día, manteniendo constante DQO y el caudal.
Parámetro \ Ensayo
Carga Orgánica C.O.A
Ensayo 5 Ensayo 6
2
16
16
1.09
1.09
200
200
620
310.
2
1.07
1.07
Agua Madre
A.M.
Caudal agua madre
QA.M. ( l/min.)
0.0068
0.0068
Carga volumétrica
Tasa de recirculación
Concentración de amonio en A.M.
Carga hidráulica (secc.reacc.)
(g. DQOs /m día)
3
(kg DQO/m día)
%R
+
S NH4+ (mg N - NH4 /l.)
3
(m /m h)
Concentración de agua madre
SA.M. (mg.DQO/l.)
3450
3450.
Carga orgánica de agua madre
(g.DQO/día)
34
34
Agua Residual Sintética
A.R.S.
Caudal agua residual sintética
QA.R.S (l/min.)
0.236
0.236
Concentración de agua resid. sint.
SA.R.S. (mg.DQO/l)
100
100
Caudal afluente al reactor
Q0
0.71
0.71
(l/min.)
Aire
Caudal medio de aire
Qm.aire
(l/min.)
0.9
0.9.
Caudal instantaneo
Qi.aire
(l/min.)
3
3
Tiempo de apertura electroválvula
ta
(seg)
10.50
10.50
Tiempo de cierre de electroválvula
tc
(seg)
24.50
24.50
Tabla N° 2
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
Eliminación de Materia orgánica
2
Las cargas que se aplicaron en los ensayos: C.O.A. 16 gDQO/m día y Carga volumétrica de 1.08
3
2
kg. DQO/m día, resultaron comparables a las empleadas en Biodiscos (C.O.A. 12 a 24 g DBO s./m
3
día en primera etapa - Tejero et al) y lechos sumergidos (Carga vol. 0.1 a 1 kg. DBO/m día - Iwai S,
3
Kitao T.), y medias o bajas respecto a Biofiltros (Carga vol. 0.1 a 5 kgDBO/m día, Iwai S, Kitao T.) y
3
4.8 a 6.5 kgDBO/m día - Rogalla 1992).
Ensayo Nº
DQO
F.A.R.S
F.E
S.R.
1/2 R
Fs
S.D.
1
mg/l
203
48
35
14
10
6
2
mg/l
420
50
34
16
7
7
3
mg/l
112
41
31
12
4
5
4
mg/l
134
45
38
15
7
5
5
mg/l
108
41
35
28
16
16
6
mg/l
103
43
32
25
14
10
Tabla N° 3
§ C.O.E. :ensayos Nº 1, 2, 3, y 4
El % de COE resultó entre 96 y 89%, el % de COE ½ entre 68 y 90% indicó subocupación de la
capacidad de la segunda mitad del reactor, respecto a la eliminación de materia orgánica
carbonosa.
Las condiciones de ejecución de los ensayos (QARS y SDQO FARS) fueron distintas, pero dado el % de
R con que se operó en cada caso, los valores de SDQO FE fueron similares, por lo que pudieron
compararse los valores de COA y COE. Se observó una relación lineal que indicó la capacidad del
sistema para eliminar COA mayores, si bien el % de COE disminuyó al aumentar C.O.A. (Fig. N°2 y
N°3).
§ C.O.E. :ensayos Nº 5 y 6
En los ensayos con aireación por pulsos, se observó una disminución del %COE (85 y 90) y mayor
distribución a lo largo del reactor de la eliminación de C.O. (el % de COE ½ , resulta de 35% y
55%).
+
Reducción de la CNA NH4 ,Nitrificación, y Desnitrificación
El coeficiente de nitrificación (CN) y la desnitrificación fueron determinados por balance de masa del
+
nitrógeno, teniendo en cuenta las concentraciones de NH4 , NO3 , NO2 en la entrada y salida y el
consumo por síntesis.
Ensayo
Nº1
Nº2
Nº3
Nº4
Nº5
Nº6
CNE T
2
(g N-NH4/m día)
1.007
1.35
1.75
2.26
0.48
0.49
CNE1/2
2
(g N-NH4/m día)
0.701
0.769
1.36
1.43
0.147
0.418
Tabla N° 4
CNA
2
(g N-NH4/m día)
1.008
1.35
1.75
2.57
3.21
1.46
§ Ensayos N° 1, 2, 3 y 4 :la CNE fue próxima al 100% para valores de C.N.A de 1 a 1.75 g(N+
2
3
+
2
NH4 )/m día (0.068 kgN-NH4/m día), reduciéndose a 88% para CNA de 2.57 g(N-NH4 )/m día (0.218
3
+
kgN-NH4/m día). Según Tchui M., para biofiltros trabajando en nitrificación la eliminación de N-NH4
+
3
resulta próxima al 100% para carga volúmicas de (0.6 a 1.5 kgN-NH4 /m día). (Fig N°4).
Se verificó nitrificación y desnitrificación simultáneas, el coeficiente de nitrificación (CN) varió entre
el 90 y 100% y la desnitrificación entre 40 y 72%. (Fig. N° 4 y N° 5)
§
Ensayos N°5 y 6 :la CNE (gN-NH4+) fue 34% para valores de CNA de 1.46 gN-NH4+/m2día,y
se redujo a 15% para CNA de 3.21 gN-NH4+/m2día, estos rendimientos globales incluyen el
nitrógeno eliminado por asimilación.
El coeficiente de nitrificación (CN) se redujo a menos de 7.5%, y no hubo desnitrificación apreciable.
+
-
-
Variación de las concentraciones de NH4 , NO3 y NO2 a lo largo del reactor
+
§ Variación de la concentración de NH4 (S NH4) en los ensayos Nº 1, 2, 3, y 4
En estos ensayos la actividad de las bacterias heterótrofas (en procesos de síntesis) y las autótrofas
+
nitrificantes, produjeron la reducción de la concentración de NH4 a lo largo del reactor. (Fig. N° 4)
+
§ Variación de la concentración de NH4 (S NH4) :ensayos Nº 5 y 6
+
En estos ensayos se observó una reducida elminación de NH4 , ya que el desarrollo de las bacterias
autótrofas en la biopelícula depende de que la penetración de O2 sea mayor que la del sustrato
carbonoso. Para cinéticas de orden cero, la relación de la penetración de dos componentes que
reaccionan (βox/βred ), es función directa del producto de las concentraciones y difusividades e
inversa de las constantes cinéticas. Según Harremoës P. (1995) la M.O. es el reactivo limitante
cuando S DBO / SO2 < 5. La reducción del suministro de oxígeno, y su consumo en la oxidación de la
M.O carbonosa, provoca la reducción de la concentración de OD (S O2 ).
§
Variación de la concentración de NO3 (S NO3-) en los ensayos Nº 1, 2, 3, y 4
En los ensayos en que se produjo nitrificación se observó un aumento de concentración de NO3
entre FE y FS, en los Nº1, 2 y 4 las líneas fueron crecientes en todo el rango, en el Nº3 fue
creciente hasta 1/2 R y luego decreciente (Fig. 7).
-
§
Variación de la concentración de NO3 (S NO3-) en los ensayos Nº 5 y 6
En el Nº 5 se produjo un reducido aumento de la concentración de NO3 entre FE y FS (de acuerdo
con el CN de 7.5% resultante), en el Nº 6 la variación neta de NO3 fue ligeramente negativa, pero
se observó en ambos casos un incremento hacia la zona central del reactor (Fig. N° 7).
§
Variación de la concentración de NO2 (S NO2-) en los ensayos Nº1 y 2, y en los N°4 y N°5
En los N° 1 y N°2, se produjo nitrificación por lo que, la concentración de NO2 se incrementó en la
zona central, mientras que en los N°5 y N°6 la concentración de NO2 se mantuvo reducida a lo
largo del reactor, con una disminución desde FE a 1/2 R (Fig. N° 8).
Variables Fisicoquímicas
§
pH
Durante los ensayos Nº 1, 2, 3 y 4, se observó una disminución del pH desde SR hasta ½ R
(procesos de oxidación de M.O. carbonosa, y nitrificación), a partir del punto central del reactor y
hasta FS en los ensayos Nº1, 3 y 4 se observó un aumento de pH (Fig. N°9).
En los ensayos Nº 5 y 6, no se detectó variación de pH, al no producirse porcentajes importantes de
nitrificación, sino eliminación de M.O carbonosa.
§
Oxígeno disuelto
+
En los ensayos Nº 1, 2, 3 y 4, tanto la eliminación de M.O. carbonosa como el NH4 , se produjo
fundamentalmente en la primera mitad del reactor.
El valor de SOD en ½ R varió entre 2.9 a 4.2 mg/l, recuperándose a la salida (FS) a valores de 6.6 a
8.8 mg/l, por lo que al no contarse con otros puntos de muestreo intermedio, puede suponerse que
en un sector importante del reactor valor de SOD > 5mg/l (indicado por Canziani R. como mínimo
para nitrificación) (Fig. N°11).
En los ensayos ensayos Nº 5 y 6, la reducción del suministro de oxígeno provocó que la eliminación
de M.O. carbonosa se desarrollara en mayor proporción en la segunda mitad del reactor. En el
punto medio (1/2 R) el valor de SOD llegó a valores de 1.1 a 1.4 mg/l, no recuperándose a la salida
del reactor el valor de SOD de la entrada (FE).
§ Alcalinidad :
En los ensayos Nº 1, 2, 3, y 4, en los que hubo nitrificación, las reacciones involucradas implicaron
la disminución de alcalinidad (1eq.Alcal./mol N-NH4+elim.). Efectuando el cálculo de consumo de
alcalinidad a partir de la eliminación de N-NH4+en los ensayos Nº 1, 2 y 3 se obtuvo un promedio de
10 mg Ca CO3/l y el promedio de reducción de alcalinidad resultó 9.56 mg CaCO3/l.
En condiciones microóxicas (ensayos Nº5 y N°6), se produjo un incremento de alcalinidad (Fig.
N°11).
Producción de sólidos
El coeficiente de producción de sólidos global (Y), varió en loa ensayos entre 0.054 kgSST/kgDQO y
0.12 kgSST/kgDQOe, valores menores que los citados en la bibliografía : 0.18 kgSSV/kg DBO (Iwai
S. Kitao) , 0.35 a 0.44 kgSS/kg DQOe (Rogalla F.) y 0.39 a 0.59 kgSS/kgDQO.(Fang H.H.P).
La mayor concentración promedio de sólidos suspendidos en la salida del reactor fue (XFS) 6 mg/l.
CONCLUSIÓN Y RECOMENDACIONES
Sistema en condiciones aerobias – anóxicas
El suministro de oxígeno fue tal que las concentraciones promedio en el ingreso, zona central y de
egreso del reactor alcanzaron valores de: ODFE = 7.2 mg/l , OD1/2R = 3 mg/l y ODFS = 7.8 mg/l
respectivamente
• La carga orgánica (COE) resultó del 96 al 98% de la carga orgánica alimentada (C.O.A), este
proceso tuvo lugar en mayor proporción en el primer tramo del reactor (% de COE1/2R es del 70 a
90%). Estos resultados fueron concordantes con los obtenidos por Fang H.H.P (1993), con
reactores aireados de lecho sumergido (95% de eliminación de la COA) y superiores a los obtenidos
2
2
en RBC 93% para cargas de 7.5 gDBO/m día y 85% para 10gDBO/m día (Autotrol 1978).
+
• La eliminación de la carga de nitrógeno (N-NH4 ) (C.N.E) fue próxima al 100% para valores de
+
2
carga de nitrógeno alimentado (C.N.A) de 1 a 1.75 g(N-NH4 )/m día, reduciéndose a 88% para
+
2
(CNA) de 2.57 g(N-NH4 )/m día.
• En el proceso se verificó nitrificación y desnitrificación simultáneas, el coeficiente de nitrificación
CN varió entre 90 y 100% y la desnitrificación de 40 a 72%. El fenómeno de nitrificación y
desnitrificación simultánea en biopelículas microaeróbicas fue reportado por Watanabe (1995) en
RBC operando bajo atmósfera controlada o series de biodiscos aireados-sumergidos.
Estos
valores resultaron comparables a los indicados por Iida Y. (1984) para desnitrificación 37% a 64% y
+
eliminación de N-NH4 (63% a 99.5%), en filtros sumergido con aireación intermitente.
Sistema en condiciones aerobias - anóxicas - anaerobias
El suministro de oxígeno fue tal que las concentraciones promedio en el ingreso, zona central y de
egreso del reactor alcanzaron valores de ODFE = 6.6 mg/l , OD1/2R = 1.2 mg/l y ODFS = 2.7 mg/l
respectivamente
• La eliminación de la carga orgánica (C.O.E) fue del 85 al 90% de la carga orgánica alimentada
(C.O.A), distribuida homogéneamente entre en el primer y segundo tramo del reactor ( % de
COE1/2R es del 35 a 55%).
+
• La eliminación de la carga de nitrógeno amoniacal (N-NH4 ) (C.N.E) fue 34% para valores de
+
2
carga de nitrógeno alimentado (CNA) de 1.46 gN-NH4 /m día, reduciéndose a 15% para (C.N.A) de
+
2
3.21 gN-NH4 /m día. Estos rendimientos globales incluyen el nitrógeno eliminado por asimilación. El
coeficiente de nitrificación CN se redujo al 0% y 7.5% respectivamente y no hubo desnitrificación
apreciable.
Producción de sólidos
§ El sistema mostró una reducida producción promedio de sólidos, que varió entre XFS = 1 mg/l a
2.5mg/l durante la operación en condiciones aeróbias-anóxicas y XFS = 3.8 mg/l a 6.36 mg/l en
condiciones aerobias-anóxica-anaerobias. Estos resultados indicaron la posibilidad de operar sin
sedimentación secundaria
§ Los coeficientes de producción de sólidos Y`(kgSST/kgDQOe) resultaron respectivamente 0.054
kgSST/kgDQOe y 0.12 kgSST/kgDQOe. El valor de Y fue del orden de los mencionados en la
bibliografía: 0.18 kgSSV/kg DBOe (Iwai S. y Kitao T.) para filtros fijos sumergidos trabajando con
3
cargas volumétricas de 0.47kg/m ), 0.35 a 0.5 kgSS/kg DBOe (Tejero I. et al.), y 0.35 a 0.44 kgSS/kg
DQOe (Rogalla F. et. al.(1992) para filtros Biocarbone).
BIBLIOGRAFIA.
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