ARRANQUE Y ESTABILIZACIÓN DE UN REACTOR

ARRANQUE Y ESTABILIZACIÓN DE UN REACTOR DISCONTINUO QUE UTILIZA BIOMASA SUSPENDIDA
PARA LA ELIMINACIÓN DE FÓSFORO.
Cuevas Rodríguez Germán, González Barceló Óscar, González Martínez Simón
Coordinación de Ingeniería Ambiental. Instituto de Ingeniería, UNAM
Ciudad Universitaria, 04510 México ,D.F.
RESUMEN
La remoción biológica de fósforo en el tratamiento de aguas residuales, es un proceso que está siendo
estudiado en forma amplia debido a los problemas de eutroficación que presentan actualmente una gran
cantidad de cuerpos de agua superficial en todo el mundo.
El uso de la tecnología "Batch" con biomasa suspendida se presenta como una alternativa para la eliminación
de fósforo y otros nutrientes, dada su flexibilidad para operar de acuerdo con los objetivos del tratamiento,
obteniéndose efluentes con bajas concentraciones de estos compuestos, logrando con ello disminuir los
problemas de eutroficación en los cuerpos receptores. Esta investigación se llevó a cabo en un reactor a
escala piloto de 1100 l de capacidad, el cual se alimentó con agua residual enriquecida con melaza y K2HPO4
para lograr concentraciones de fósforo y materia orgánica típicas de un agua residual de tipo doméstica. La
experimentación se basó en el control de la carga orgánica, empleando ciclos de 8 h (llenado, fase anóxicaanaerobia, fase aerobia, sedimentación y vaciado). Después de 115 días de operación constante se estabilizó
el proceso con un valor de carga orgánica dentro de un rango de 0.13 a 0.18 kg DQOT / kg SST·d. El
establecimiento de bacterias acumuladoras de fósforo (BAF), se pudo comprobar con el monitoreo de
concentraciones de fosfatos en el agua durante un ciclo de tratamiento la presentándose una excreción
mayor al 200% de la concentración inicial al final de fase anóxica-anaerobia y una captura del mismo material
excretado hasta del 95 % al final de fase anóxica-aerobia. Logrando obtener al final del ciclo de 8 h de
tratamiento, una remoción de fósforo (medida como P-PO4) del 83.5 % y materia orgánica (medida como
DQOS ) del 77.7 %.
Palabras claves: remoción biológica de fósforo, reactores discontinuos, lodos activados, aguas residuales
INTRODUCCIÓN
La eliminación de fósforo contenido en las aguas residuales está adquiriendo mucha atención en
Latinoamérica, ya que, los problemas que presentan los cuerpos de agua receptores han ido en aumento,
debido a que las tecnologías que se utilizan para el tratamiento solamente se enfocan a remover la materia
carbonosa, dejando en los efluentes altas concentraciones de macronutrientes los cuales son vertidos en los
cuerpos receptores.
La remoción biológica de fósforo de las aguas residuales es un proceso muy usado para prevenir o reducir la
eutroficación, fenómeno que se presenta por un crecimiento excesivo de organismos fotosintéticos en cuerpos
de agua superficial.
La aplicación de reactores discontinuos para la eliminación biológica de fósforo ha sido empleada desde hace
tiempo. En sus publicaciones Manning y Irvine, 1985; Ketchum y Irvine, 1987, reportan muy buenas
eficiencias de remoción de este nutriente utilizando este tipo de reactores que presentan la ventaja de que todo
el proceso se lleva en un solo tanque.
Para inducir el establecimiento de BAF en un sistema para tratamiento de aguas residuales, se requiere
someter a los microorganismos a una secuencia de etapas anaerobia/aerobia, (Fuhs y Chen, 1975; Nichols y
Osborn, 1979).
En la primera etapa las bacterias acumuladoras de fósforo ( Acinetobacter, Pseudomonas, Moraxella,
Klebsiella entre otras), usan los productos de la fermentación como fuente de carbono y los almacenan como
poli-β-hidroxibutirato (PHB), utilizado como fuente de energía el ATP que se genera durante la hidrólisis de los
polifosfatos (poli-P). Proceso por el cual se libera fósforo al medio (Comeau, 1986). Durante la etapa aerobia, el
fósforo se utiliza como fuente de energía para síntesis celular y de poli-P. El PHB se utiliza como fuente de
carbono logrando con esto, remover una mayor cantidad de fósforo que la que estaba presenta originalmente
en el medio.
El objetivo del siguiente trabajo fue observar a nivel planta piloto, el comportamiento de un reactor discontinuo
con biomasa suspendida durante el arranque y estabilización del sistema con la finalidad de eliminar
simultáneamente fósforo y materia carbonoso del medio, así como obtener una forma de operación que
permita el establecimiento rápido de BAF en el sistema.
MATERIALES Y MÉTODOS
El estudio se llevó a cabo a nivel planta piloto (Fig.1) utilizando un reactor discontinuo con volumen de 1100 l,
el cual se encuentra ubicado en la planta para tratamiento de aguas residuales de Ciudad Universitaria. El
reactor fue operado con ciclos de 8 horas , consistentes en las siguientes etapas: llenado (10 min), anóxicaanaerobia (215 min), aerobia (215 min), sedimentación (30 min), vaciado (10 min). La Fig. 2 muestra en forma
esquemática las etapas de operación del proceso para cada ciclo de operación.
La alimentación del reactor fue en forma discontinua con agua residual doméstica, la cual se enriqueció con
melaza y fosfato dibásico de potasio (K 2HPO4), debido a las bajas concentraciones de materia orgánica y
fósforo que contienen el agua residual que llega a la planta de tratamiento de aguas residuales de C.U.
Para observar el comportamiento del reactor durante las etapas de arranque y estabilización se realizaron
análisis de DQOS, DQOT, P-PO4, pH, T, OD, SST. Estas determinaciones fueron hechas tanto para el agua
residual cruda como para el influente y efluente del reactor en cada ciclo de tratamiento de acuerdo con los
métodos normalizados para el análisis de agua potable y residuales (APHA, AWWA y WPCF, 1985) y con los
métodos normalizados alemanes para el análisis de agua (Deutche Einheitsverfahren zur
Wasseruntersuchung, 1983).
Bomba de alimentación de melaza y K2HPO4
Bomba de vaciado
Interruptor de nivel superior
Interruptor de nivel inferior
Electródos para pH y OD
Válvula de muestreo
Válvula de muestreo
Difusores sumergidos
Bomba de llenado
Bomba de recirculación
Bomba de purga de lodos
Fig 1. Esquema de la planta piloto utilizada en esta investigación.
LLENADO
10
ANÓXICO-ANAEROBIO
AEROBIO
215
SEDIMENTACIÓN
215
VACIADO
30
10
Tiempo (minutos)
Fig. 2. Fases de operacion del reactor discontinuo
RESULTADOS Y DISCUSIONES
ARRANQUE Y ESTABILIZACIÓN DEL SISTEMA
El criterio para establecer las condiciones de operación en la etapa de arranque se basó en el trabajo de
Garzón-Zúñiga (1995), el cual trabajó con un reactor SBR con biopelícula sumergida para le eliminación
biológica de fósforo, logrando eliminar el 89 % de la DQOT y el 71 % de P-PO4, utilizando una carga orgánica
baja (3 g DQOT / m2⋅d) y ciclos de tratamiento de 24 h.
El reactor se arrancó alimentando agua residual cruda enriquecida con melaza y K2HPO4 obteniendo un agua
residual con las características que se presentan el la Tabla 1, antes de iniciar el primer ciclo de tratamiento.
A partir del de segundo ciclo, el volumen de recambio (caudal tratado por ciclo) fue de 164.19 l. Cabe
mencionar que el reactor no fue inoculado con bacterias de otros sistemas de tratamiento, solamente entraron
los microorganismos que se encuentran en las aguas residuales.
Tabla 1. Características del agua residual en el arranque del reactor discontinuo que utiliza biomasa
suspendida para la eliminación de fósforo.
Demanda Química de Oxígeno (DQOT)
Sólidos suspendidos totales (SST)
Fósforo de los fosfatos (P-PO4)
pH
Temperatura
Oxígeno Disuelto (OD)
457.2 mg / l
138 mg/l
10 mg / l
7.1
21ºC
4 mg / l
Para observar el comportamiento de los SST dentro del sistema de tratamiento, se monitores constantemente
la concentración de los SST en el reactor al final de fase aerobia. En la Fig. 3, se puede observar como de 106
mg/l que se tuvo al inicio del proceso, los SST se fueron incrementando hasta lograr estabilizar el sistema
dentro de un rango de SST de 1986 a 2085 mg/l después de 115 días de operación constante del reactor. Los
sólidos en exceso dentro del sistema se purgaron continuamente hasta lograr establecer automáticamente
una purga constante de lodos, los cuales tienen la característica de ser lodos de fácil sedimentación y ricos
en fósforo.
Al mismo tiempo como se puede observar en la Fig. 4, al aumentar la concentración de los SST en el reactor
el valor de la carga orgánica aplicada fue disminuyendo, esto debido a que la CO es inversamente proporcional
a la concentración de los SST en el reactor como se muestra en la Ec. 1, lográndose después de 115 días de
operación, estabilizar la CO dentro de un rango de 0.13 a 0.18 kg DQOT/ kg SST·d. Esta variación se debe a
que la concentración de la materia orgánica presente en el agua residual cruda cambia diariamente, debido a
que las actividades dentro de la universidad son muy variable durante todo el año.
3000
2500
SST (mg/l)
2000
1500
1000
500
0
0
5
13
21
27
33
39
45
65
76
82
85
90
93
98
101
108
113
TIEMPO (días)
Fig 3 . Comportamiento de los SST durante el arranque y estabilización de un reactor
discontinuo que utiliza biomasa suspendida, medidos al final de la fase aerobia.
La Ec. 1 representa el valor de Carga Orgánica aplicada en un reactor discontinuo que utiliza biomasa
suspendida.
C. O. =
VLL • kgDQOT
VT • kgSST • θreaccion
(1)
2,5
CO : (Kg DQOT/Kg SST·d)
2
1,5
1
0,5
0
0
5
13
21
27
35
41
49
71
78
84
89
92
95
100
105
112
115
TIEMPO (días)
Fig 4. Comportamiento de la carga orgánica durante el arranque y estabilización del reactor
discontinuo que utiliza biomasa suspendida .
ESTABLECIMIENTO DE BACTERIAS ACUMULADORAS DE FÓSFORO
Para estudiar el establecimiento de bacterias acumuladoras de fósforo en el sistema, se determinaron los
fosfatos (P-PO4) al inicio y final de la fase anóxica-anaerobia y al final de fase aerobia.
En la Fig. 5 se aprecia el comportamiento de los P-PO4 dentro del sistema durante la etapa de arranque y
estabilización.
Durante este periodo de tiempo se puede observar que el valor inicial de los P-PO4 al inicio de fase anóxicaanaerobia es muy variante, esto se debe a que las características del agua residual utilizada cambia durante
todo el año. Sin embargo, se puede apreciar en la gráfica que a partir del día 25 la concentración de fósforo a
final de fase anóxica-anaerobia aumenta y no es hasta después del día 43, cuando la concentración de P-PO4,
es aproximadamente el doble de la concentración inicial, lo que permite considerar que las bacteria
acumuladoras de fósforo se han establecido en el sistema. Al respecto, González-Martínez, 1989, considera
de forma práctica que las bacterias acumuladoras de fósforo se han establecido y estabilizado dentro del
reactor cuando, durante la fase anaerobia se elimina el 80% de la materia orgánica y cuando se detecta en el
medio una cantidad de fósforo, al menos igual al doble de la concentración inicial.
Durante este tiempo de operación se puede apreciar que el porcentaje de remoción de P-PO4 en el sistema
fue aumentando, logrando obtener remociones hasta del 90% después de 51 días de operación.
En la Tabla 2 , se pueden observar las condiciones de operación del reactor una vez alcanzada la
estabilización del proceso, obteniendo con esto un crecimiento de BAF y otras especies dentro del sistema en
un tiempo relativamente corto, logrando así remover el fósforo presente en las aguas residuales, lo cual indica
que los reactores discontinuos con biomasa suspendida son una opción viable para llevar a cabo este tipo de
tratamiento.
60
Inicio Anóxica-anaerobia
Final Anóxica anaerobia
Final Aerobia
50
PO4 (mg/l)
40
30
20
10
0
0
1
5
7
9 11 13 15 17 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 49 51 65 67 69 73 76 77
TIEMPO (días)
Fig.5 Comportamiento de la eliminación de fósforo durante el arranque y estabilización del
reactor discontinuo que utiliza biomasa suspendida.
Tabla 2. Parámetros de operación en el reactor discontinuo para la eliminación biológica de
fósforo.
Volumen de llenado (VLL)
Volumen Total (VT)
Sólidos suspendidos totales (SST)
Carga orgánica (CO)
Indice volumétrico de lodos (IVL)
Tiempo de retención hidráulico (TRH)
Tiempo de retención celular (TRC)
Tiempo de reacción anóxico-anaerobio
Tiempo de reacción aerobio
164.19 l
982 l
1986 - 2085 mg / l
0.13 - 0.18 kg DQOT / kg SST·día
123 ml / g
8h
23 días
215 min
215 min
Una vez que se estabilizó el proceso y las bacterias acumuladoras de fósforo se establecieron, se experimentó
en el reactor para observar el comportamiento de eliminación de materia orgánica (DQOs) y fósforo (P-PO4)
durante un ciclo de tratamiento con las condiciones de operación que se muestran en la Tabla 2.
REMOCION DE DQOS y P-PO4
La Fig. 6, muestra el comportamiento de remoción de DQOs Y P-PO4 durante un ciclo de 8 h con 50 % de
fase anóxica-anaerobia y 50 % de fase aerobia. se puede observar en la curva que representa la degradación
de la DQOs que el 65 % de materia orgánica soluble es consumida durante la fase anóxica-anaerobia y
solamente el 11.7 % se consume en fase aerobia. Aquí mismo se observar que prácticamente dos horas antes
de que finalice el tratamiento, la remoción de sustrato orgánico permanece sin cambio.
Con respecto a fósforo durante el mismo ciclo, la gráfica nos presenta una excreción de poco más del 200%
de la concentración inicial, al finalizar la fase anóxica-anaerobia y una captura del 95 % de todo el fósforo
disuelto al final de fase aerobia. Logrando con estas condiciones de operación, una remoción de la DQOs del
77.7 % y de P-PO4 del 83.5 %, obteniendo concentraciones de 25 mg/l de DQOs y 4.9 mg/l de P-PO4 en el
efluente al finalizar el ciclo de tratamiento.
FACTORES AMBIENTALES DENTRO DEL PROCESO
La Fig. 7, muestra el perfil de los factores ambientales durante un ciclo de tratamiento, aquí se puede observar
que el oxígeno disuelto (OD) presenta un comportamiento típico durante el ciclo de tratamiento. Al inicio de
fase anóxica-anerobia el agua presenta una concentración de 0.2 mgO2 / l el cual decrece de forma rápida
hasta que se agota por completo en la primera media hora, logrando concentraciones cercanas a cero al final
de fase anóxica-anaerobia. Durante la fase aerobia el nivel de OD fue incrementando, logrando obtener un valor
máximo de 4.3 mg O2 / l al finalizar la fase aerobia.
Con respecto a la temperatura
se puede observar que tiende a
aumentar
a
medida
que
transcurre el ciclo, obteniendo
un mínimo de 20°C y un
máximo de 23°C al finalizar el
ciclo, al respecto González y
Wildere (1991), observaron que
el efecto de la temperatura en el
intervalo de 15-25 °C fue
insignificante en la eficiencia del
proceso.
120
Anóxica -anaerobia
110
DQOs
P-PO4
Aerobia
100
90
DQOs : PO 4 (mg/l)
80
70
60
50
40
30
20
Los valores de pH durante el
ciclo
de
tratamiento
se
mantuvieron dentro de un rango
de 6.9 a 7.4. Se puede observar
también en la gráfica que en
fase anóxica-anaerobia, el pH
10
0
2
18
48
76
106
136
166
196
226
256
286
316
346
376
406
436
466
TIEMPO (min)
Fig 6. Comportamiento de la DQOs y PO 4 durante un ciclo de 8 h en un reactor discontinuo
con biomasa suspendida.
baja de 7.3 a
8
25
Anóxica-anaerobia
Aerobia
7
24
6
OD
pH
T
5
22
T ºC
pH : OD (mg O2 / l)
23
4
21
3
20
2
19
1
0
18
2
48
56
66
76
106
136
166
196
226
256
286
316
346
376
406
436
466
Tiempo (min)
Fig. 7 Comportamiento de los parámetros ambientales en el reactor discontinuo que utiliza
biomasa suspendida durante un ciclo de 8 h de tratamiento
6.9 al finalizar la fase, esta
disminución puede deberse a la
actividad
de
bacterias
hidrolíticas y fermentadoras
presentes en el medio.
Durante la fase aerobia el valor
del pH incrementó de 6.9 a 7.4,
debido a la oxidación del
sustrato residual y a la
degradación
de
los
PHB
almacenados
en
la
fase
anóxica-anaerobia. Por lo tanto,
el rango de valores de pH
presente durante todo el ciclo
fueron
favorables
para
la
remoción de materia orgánica y
fósforo en el sistema.
CONCLUSIONES
Con base en los resultados obtenidos en este trabajo se puede concluir lo siguiente:
Los reactores discontinuos con biomasa suspendida son capaces de eliminar materia orgánica y fósforo
cuando se utiliza una estrategia de operación adecuada.
Arrancando el sistema utilizando un valor de carga orgánica baja dentro de un rango de 0.13 a 0.18 kg DQOT /
SST·d y etapas anóxica-anaerobia / aerobia , dentro de los ciclos de tratamiento, es factible que en un periodo
de tiempo corto, se establezcan y estabilicen las bacterias acumuladoras de fosfatos.
La operación del reactor con un valor de carga orgánica en un rango de 0.13 a 0.18 kg DQOT / SST·d y una
duración del ciclo de tratamiento de 8 h con una relación de fase anóxica-anaerobia / aerobia 1:1, los
microorganismos eliminan el 77.7 % de la DQOs y el 83.5 % del fósforo presente al inicio del ciclo de
tratamiento.
REFERENCIAS
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the treatment of wastewater. Microbial Ecology, 2, 119.
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adherida. Tesis para obtener el grado de maestro en biotecnología. Departamento de Estudios de Posgrado,
Facultad de Química - UNAM, 132 pp.
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