COMPOSICIÓN Y USO DE AGUA RESIDUAL

COMPOSICIÓN Y USO DE AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA EN REACTORES A ESCALA DE
LABORATORIO
Torres Lozada Patricia(1), Foresti Eugenio(2)*, Vazoller Rosana F(2)
(1)Univalle.Fac.Ing.AA25360 Cali-Colombia; (2) EESC-USP-SHS-CP359-CEP13560970 S.Carlos-SP-Brasil
RESUMEN
El estudio de aguas residuales domésticas en reactores de laboratorio es difícil debido a las grandes
variaciones de sus características y principalmente debido a la presencia de microorganismos patógenos. Por
este motivo, los estudios sobre aspectos fundamentales del tratamiento anaerobio son limitados además de
que los sustratos sintéticos comunmente utilizados a escala de laboratorio presentan composición físicoquímica completamente distinta del agua residual doméstica lo que no permite la reproducción de los
procesos bioquímicos importantes para el desarrollo de los sistemas de tratamiento.
A partir de datos de la literatura sobre las características físico-químicas de estos residuos, se definió la
composición de un sustrato sintético para ser utilizado en reactores a escala de laboratorio. La fracción
orgánica fue compuesta por extracto de carne, sacarosa, almidón, celulosa e aceite y la fracción inorgánica
constituída por compuestos minerales normalmente encontrados en este tipo de aguas residuales.
Ensayos de biodegradabilidad anaerobia constataron eficiencia de remoción de la Demanda Química de
Oxígeno de 73%, valor similar al encontrado con el uso de reactores anaerobios continuos. A partir de los
resultados obtenidos, se propone el uso del sustrato sintético con la composición definida en este trabajo, en
estudios a escala de laboratorio sobre aspectos específicos del tratamiento anaerobio de estos residuos.
Palabras Clave: Agua Residual Doméstica; Degradación anaerobia; Eficiencia de Remoción de DQO.
INTRODUCCION
El agua residual doméstica (ARD) está compuesta de constituyentes físicos, químico y biológicos. Es una
mezcla de sustancias orgánicas e inorgánicas, suspendidas o disueltas. La mayor parte de la materia
orgánica consiste en residuos alimenticios, excretas, materia vegetal, sales minerales y materiales diversos
como jabones y detergentes sintéticos.
La fracción orgánica corresponde al 70% de la cantidad de materia sólida existente (Tebutt, 1977; Jordão &
Pessoa, 1975); el 30% restante es inorgánico. La Tabla 1 muestra su composición según varios autores.
Tabla 1. Compuestos orgánicos presentes en Aguas Residuales Domésticas (Porcentaje)
COMPUESTO
ORGÁNICO
Proteínas
Carbohidratos
Lípidos
SCOTTI
(1968)
40
50
10
TEBUTT
(1977)
65
25
10
METCALF & EDDY
(1979)
40 - 60
25 - 50
10
Las ARD pueden contener varios tipos de proteínas y, como ejemplo, pueden citarse las albúminas,
globulinas de diversos orígenes y enzimas industriales (detergentes) o resultantes de la actividad microbiana
en la propia agua residual. Los carbohidratos están presentes en sus formas más comunes, tales como
glucosa, sacarosa, almidón y celulosa; algunos, como la glucosa y la sacarosa, son más facilmente
degradados por microorganismos, siendo los polisacáridos como la celulosa y el almidón más resistentes al
ataque microbial y siendo el almidón más facilmente descompuesto que la celulosa (Blundi, 1988).Las grasas
animales y aceites son el tercer componente de los alimentos, están siempre presentes en ARD provenientes
de carnes, del uso de aceites vegetales, etc. (Metcalf & Eddy, 1979).
Con base en las características de las ARD, se preparó un sustrato sintético con composición tanto orgánica
como inorgánica y parámetros físico-químicos similares. Este sustrato sintético fue el utilizado en los
estudios a escala de laboratorio tanto en reactores de flujo discontinuo (ensayos de biodegradabilidad) como
continuo (reactor de 10.5 l) (Torres, 1992) y en diferentes estudios posteriores realizados en el Laboratorio de
Procesos de Tratamiento y Microbiología Anaerobia del Departamento de Hidráulica y Saneamiento de la
Escuela de Ingeniería de São Carlos - U.S.P. - Brasil.
La calidad del agua residual sintética fue verificada por los ensayos de biodegradabilidad cuyos resultados se
presentan en este artículo. Sobre el período de operación del reactor continuo sólo serán presentados los
resultados relacionados con la variación en la calidad del sustrato.
METODOLOGÍA
Con base en la revisión sobre la composición del ARD en términos de proteínas, carbohidratos y lípidos, se
preparó un agua residual sintética conteniendo estos componentes y enriquecido con soluciones de macro y
micronutrientes debido a que también son compuestos comunmente presentes en aguas residuales
domésticas; estas soluciones fueron preparadas según las recomendaciones de la literatura (Vazoller, 1988 y
Touzel & Albagnac, 1983) con algunas modificaciones que permitieran garantizar concentraciones dentro de
los rangos encontrados en estas aguas. El procedimiento de preparación fue como sigue:
1. Se prepararon soluciones concentradas (en términos de DQO) de cada uno de los componentes orgánicos
seleccionados, en volúmenes de 1.0 l.
2. Cada solución (con excepción de la sacarosa pues normalmente los azúcares son consumidos crudos)
fue hervida durante ≅ 2 h, para garantizar la completa disolución de los compuestos orgánicos y evitar la
formación de grumos, principalmente en las soluciones más propensas a ello (almidón y celulosa).
3. En la solución de aceite, una vez fría, se adicionaron unas gotas de detergente líquido, con el objetivo de
emulsionar las grasas y porque el detergente es un componente normal en ARD.
4. Después de frías, las soluciones preparadas fueron caracterizadas en términos de concentración de DQO,
con el objetivo de conocer las alícuotas que debían ser tomadas de cada solución para la preparación del
sustrato sintético.
5. Las soluciones concentradas permanecían refrigeradas durante aproximadamente 1 mes. Tiempo mayor
causaba degradación de las mismas y alteración de las características iniciales.
6. Adicionados los respectivos volúmenes de soluciones orgánicas para garantizar la DQO del sustrato
sintético, el cual era preparado con agua de la red de acueducto de la ciudad de São Carlos (SP - Brasil),
eran adicionadas también las soluciones de macro y micronutrientes.
7. La alcalinidad y el pH fueron corregidos con bicarbonato de sodio.
8. El sustrato sintético era preparado con 24 horas de antecedencia a su uso y mantenido a temperatura
ambiente, para permitir la formación de los ácidos grasos volátiles (AGV) en los niveles comunmente
encontrados en ARD.
Los ensayos de biodegradabilidad discontinuos, fueron realizados con los compuestos orgánicos separados y
mezclados en la forma del sustrato sintético, enriquecidos con los nutrientes y con pH neutralizado. El
inóculo utilizado provenía del reactor operado a flujo continuo, tanto al inicio como al final de su operacion.
Las Tablas 2 y 3 muestran las condiciones de estos ensayos. Es importante destacar que los diferentes
compuestos orgánicos fueron adicionados en proporciones comunmente encontradas en ARD (≅ 50% de
proteínas, 40% de carbohidratos y 10% de lípidos en función de la DQO y DQO media de 500 mg/l).
Tabla 2. Biodegradabilidad Anaerobia de Compuestos Orgánicos presentes en ARD. Ensayo Inicial
REACTOR
1
2
3
4
(Vol. 300 ML)
PROTEÍNA
CARBOHIDRATO*
LÍPIDO
A.R.D.SINTETICA
DQO (mg/l)
242
239
88
540
%
DQO
45
44
16
100
Inóculo (ml)
70
70
70
70
Inóculo (g SSV/l)
14
14
14
14
* Solución preparada con la mezcla de todos los carbohidratos utilizados (sacarosa, almidón, celulosa)
El lodo utilizado como inóculo fue lodo granular, proveniente de un reactor anaerobio operado con agua
residual del proceso de producción de concentrado de jugo de naranja (CITROSUCO - Brasil). La cantidad
adicionada fue determinada atendiendo la recomendación de inocular los reactores con 10 - 15 g SSV/l para
arrancar reactores UASB (Lettinga & Hulshoff Pol, 1984).
Tabla 3. Biodegradabilidad Anaerobia de Compuestos Orgánicos presentes en ARD. Ensayo Final
REACTOR
(Vol. 500 ml)
DQO (mg/l)
%
DQO
Inóculo (ml)
Inóc(gSSV/l)
1
PROTEÍNA
266
52
215
17
2
ALMIDÓN
130
25
215
17
3
CELULOSA
57
11
215
17
4
SACAROSA
65
13
215
17
5
LÍPIDO
54
11
215
17
6
ARD.SINTET
510
100
215
17
Una vez inoculados los reactores y adicionado el correspondiente volumen de sustrato que produjera la DQO
mostrada en las Tablas 2 y 3, en cada uno de los reactores se adicionaron las soluciones de macro y
micronutrientes y luego fueron enrasados con agua destilada a 300 y 500 ml respectivamente para los
ensayos inicial y final. Posteriormente, se lavó con gas nitrógeno (N2) 100% puro y se sellaron
herméticamente para evitar el escape de biogás. Para evitar el crecimiento de algas y evitar reacciones
fotoquímicas que pueden oxida el medio anaerobio, los reactores fueron incubados en la oscuridad (cubiertos
con papel aluminio) y a temperatura ambiente al igual que el reactor de flujo continuo operado en el
laboratorio.
Los ensayos tuvieron duración de 2 a 3 semanas, tiempo durante el cual se monitoreó la composición del
biogás producido por análisis cromatográfica. La estabilidad en este parámetro determinaba el fin de cada
ensayo. Los sobrenadantes de cada reactor fueron utilizados para realizar análisis de DQO soluble, con el fin
de calcular la eficiencia de remoción de DQO con relación a los valores iniciales.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Composición del Agua Residual Sintética
El agua residual sintética presentó la composición, en cuanto a compuestos orgánicos, mostrada en la Tabla
4. Las Tabla 5 y 6 muestran la composición de las soluciones de macro y micronutrientes.
Tabla 4. Composición Orgánica del Agua Residual Sintética
FRACCIÓN ORGÁNICA
Proteínas
Carbohidratos
Lípidos
PORCENTAJE DE DQO
50%
40%
10%
COMPUESTO ORGÁNICO
Extracto de Carne
Sacarosa
( 20% )
Almidón Comercial ( 60% )
Celulosa
( 20% )
Aceite de Soya
La Tabla 7 muestra las variaciones en la composición del agua residual sintética durante la operación de un
reactor de flujo continuo (solo se presentan resultados relacionados con la calidad del sustrato sintético). Con
relación a la DQO, el residuo sintético siempre fue preparado tratando de mantenerse una concentración de
DQO total de 500 mg/l. La tabla muestra variaciones entre 400 - 665 mg/l y valor medio de 536± 54, con un
coeficiente de variación de 10%. Variaciones en la DQO total, soluble, sólidos, etc., se debieron posiblemente
a la falta de un sistema de agitación en el recipiente de almacenamiento para garantizar homogeneidad del
sustrato. Otra posible causa pudo haber sido la temperatura pues las mayores variaciones se dieron en el
período en que los cambios de temperatura fueron más significativos (invierno).
Tabla 5. Soluciones de Sales Minerales (Macronutrientes). (Vazoller, 1988).
SAL
SOLUCIÓN 1
K2HPO4
SOLUCIÓN 2
KH2PO4
NaCl
MgCl2.6H2O
CaCl2.2H2O
SOLUCIÓN 3
FeSO4.7H2O
SOLUCIÓN 4
CaCO3
SOLUCIÓN 5
Na2S
CONCENTRACION (g/l)
VOLUMEN (ml/l A.Residual)
6.0
3.75
6.0
12.0
2.0
1.6
1.04
20.8
3.50
2.80
10.0
20.0
12.0
10.0
30.0
1.0
Tabla 6. Solución de Micronutrientes (1 ml/l). (Touzel & Albagnac, 1983)
COMPUESTO
Ácido Nitrilotriacético (NTA)
FeCl3.6H2O
MnCl2. 4H2O
CoCl .6H2O
CaCl .2H2O
ZnCl anhidro
CuCl .2H2O
H3BO3
Molibdato de sodio.H2O
NaCl
Na2SeO3.5H2O
NiCl2.6H2O
CONCENTRACIÓN (g/l)
12.800
1.350
0.100
0.024
0.100
0.100
0.025
0.010
0.024
1.000
0.026
0.120
Tabla 7. Características Físico-Químicas del Agua Residual Sintética (mg/l)
VARIABLE
# ANÁLISIS
MÁXIMO
MEDIO
MÍNIMO
Temp.(oC)
132
24
21
14
DQO t(
132
665
536
400
DQO s)
132
469
283
139
DQOt/DQOs
132
0.76
0.53
0.3
S.Totales
13
718
639
517
S. Fijos
13
520
435
378
S. Volátil
13
303
206
108
pH (unidades
132
7.1
6.7
Alcal Parcial*
132
157
121
90
Alcal Interm*
132
106
54
26
Alcal. Total *
132
225
176
134
A.G.V. **
12
66
61
49
A.G.V. ***
13
258
216
191
Fosfatos
22
8
6
4
* Alcalinidad : mg CaCO3/l
** AGV en agua residual sintética fresca
(t = O h de preparación)
***AGV en agua residual sintética acidificada (t = 24 h de preparación)
DESVIAC.ST
2.25
54.32
48.57
0.10
70.03
36.90
53.68
17.88
17.05
21.38
4.80
18.98
1.42
COEF.VAR.
0.11
0.10
0.17
0.18
0.11
0.08
0.26
0.15
0.31
0.12
0.08
0.09
0.24
En general, comparando los valores medidos en el agua residual sintética con los datos típicos para un agua
residual doméstica, se puede afirmar que la sintética realmente simuló las características de un agua residual
doméstica de concentración media (Metcalf & Eddy, 1979). Los AGV eran la única variable que inicialmente
no estaba dentro de lo esperado, considerando que las ARD son acidificadas a su paso por las redes
colectoras, se decidió preparar con antecendencia el sustrato con lo que se consiguió alcanzar niveles más
próximos del sustrato real.
El Inóculo
El lodo presentó las características mostradas en la Tabla 8.
Tabla 8. Características del lodo utilizado en los ensayos
VARIABLE
S.S.T.
(g/l)
S.S.V
(g/l)
S.S.V. / S.S.T.
Act. Metanogénica (g H4/gSSV.d)
ENSAYO INICIAL
83.878
59.086
0.70
0.27
ENSAYO FINAL
65.755
39.704
0.60
0.16
Ensayo Inicial
La Tabla 9 y la Fig. 1 presentan las variaciones en el tiempo de los porcentajes de metano presentes en el
biogás de los diferentes reactores alimentados con cada uno de los sustratos orgánicos presentes en agua
residual doméstica. En ellas, se observa un comportamiento creciente del porcentaje de metano en el biogas,
con los valores máximos para el reactor alimentado con carbohidratos, seguido del ARD (muy próximo) y en
niveles poco menores, las proteínas y finalmente los lípidos.
Tabla 9. Porcentaje de Metano presente en el Biogás de los Reactores. Ensayo Inicial
% CH4 EN EL BIOGAS
TIEMPO (días)
05
09
16
17
PROTEÍNA
6.3
19.4
31.9
33.0
50
CARBOHIDRATOS
7.4
23.6
38.3
40.2
LÍPIDO
4.8
18.5
30.8
32.3
A.R.SINTÉTICA
7.7
23.8
36.0
37.8
PROTEINA
40
CARBOHI.
LIPIDO
30
A.R. SINTET.
20
10
0
0
5
10
TEMPO (d)
15
20
Fig. 1. Porcentaje de Metano presente en el Biogás de los Reactores. Ensayo Inicial
Las curvas de la Fig. 1 indican que los microorganismos degradaron preferencialmente los carbohidratos. El
lodo granular, siendo proveniente de un proceso de tratamiento de aguas residuales de la industria cítrica,
cuyo contenido de carbohidratos posiblemente era mayor comparado con los otros compuestos orgánicos
estudiados, presentó una actividad mayor en función de su más fácil adaptación.
La Tabla 10 y la Fig. 2 muestran que la máxima eficiencia de remoción de DQO ocurrió también en el reactor
alimentado con carbohidratos (44%), seguido de las proteínas (38%) y finalmente los lípidos (17%). Se
considera que la remoción en el reactor que contenía los carbohidratos no fue mayor ya que dentro de ellos
(sacarosa, almidón y celulosa), hay grandes diferencias en el nivel de degradación, sabiéndose que la
celulosa es uno de los compuestos orgánicos de más difícil degradación biológica (Blundi, 1988).
Tabla 10. Eficiencia de Remoción de DQO (soluble). Ensayo Inicial
AFLUENTE (mg/l)
242
239
88
540
Eficiencia de Remoción de
DQO (%)
SUSTRATO
Proteína
Carbohidratos
Lípido
A.Residual Sintética
EFLUENTE (mg/l)
151
133
73
148
EFIC. REMOCIÓN (%)
38
44
17
73
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Prot.
Carboh.
Lípido
A.R.Sint.
Sustrato Orgánico
Fig. 2. Eficiencia de Remoción de DQO. Ensayo Inicial
El reactor alimentado con todos los compuestos orgánicos (agua residual sintética), presentó una remoción
de DQO de 73%, valor muy próximo del encontrado durante la operación del reactor de flujo continuo.
Ensayo Final
Al final de la operación del reactor continuo, inoculado con el lodo granular, y con el objetivo de confirmar la
eficiencia del lodo en la degradación de los compuestos orgánicos, se ensayó la biodegradabilidad separando
los carbohidratos considerando el diferente grado de degradación de los mismos.
La Tabla 11 y la Fig. 3 presentan las variaciones en el porcentaje de gas metano presente en el biogás
producido en los reactores. En ellas puede observarse que el almidón y la sacarosa (carbohidratos)
presentaron los mayores valores durante todo el ensayo seguidos, por la proteína y la celulosa (mismo orden
de grandeza) y el último lugar el lípido. Estos resultados confirmaron que efectivamente los carbohidratos
presentan diferentes grados de degradación biológica. El reactor alimentado con agua residual sintética,
presentó un comportamiento muy cercano al reactor alimentado con almidón.
La Tabla 12 y la Fig. 4 presentan el mismo comportamiento observado en la composición del biogás,
mostrando las más altas eficiencias en la remoción de DQO para la sacarosa (66%) y el almidón (61%),
seguido de la proteína (58%), celulosa (39%) y el lípido (28%). El reactor alimentado con agua residual
sintética presentó eficiencia de 75%, valor que coincide con el ensayo inicial y con los resultados de
operación del reactor de laboratorio (Torres, 1992).
Comparando los resultados de los 2 ensayos, se puede observar un aumento en la remoción de las proteínas
y hasta de los lípidos, lo que indica una probable adaptación de la población de microorganismos presentes
en el lodo granular, a este tipo de sustratos.
Tabla 11. Porcentaje de Metano presente en el Biogás de los Reactores. Ensayo Final
PROTEÍNA
0.30
11.40
30.60
34.90
51.20
55.60
63.50
65.00
% CH4 en el Biogás
TIEMPO (d)
00
02
07
09
14
16
21
23
ALMIDÓN
0.20
11.30
31.00
35.70
55.80
57.50
67.60
69.00
CELULOSA
0.30
9.90
30.70
35.90
51.00
55.30
62.40
64.40
SACAROSA
0.30
11.70
31.90
37.10
52.40
57.40
66.80
67.90
LÍPIDO
0.20
9.50
28.40
32.20
44.40
48.70
54.10
56.40
A.R.SINTÉT.
0.30
12.20
31.20
35.90
54.60
59.50
66.70
68.40
70
60
50
40
Proteína
Almidón
Celulosa
Sacarosa
Lípido
A.R.Sintét.
30
20
10
0
0
5
10
15
Tiempo (d)
20
25
Fig. 3. Porcentaje de Metano presente en el Biogás de los Reactores. Ensayo Final
Tabla 12. Eficiencia de Remoción de DQO (soluble). Ensayo Final
SUSTRATO
Proteína
Almidón
Celulosa
Sacarosa
Lípido
A.Residual Sintética
AFLUENTE (mg/l)
266
130
57
65
54
510
EFLUENTE (mg/l)
112
51
35
22
39
128
EFIC. REMOCIÓN (%)
58
61
39
66
28
75
80
60
40
20
0
Eficiencia de Remoción de
DQO (%)
Prot.
Almid.
Celul.
Sacar.
Lípido
A.R.Sintét.
Sustrato Orgánico
Figura 4. Eficiencia de Remoción de DQO. Ensayo Final
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
. El agua residual sintética preparada en laboratorio fue similar al agua residual doméstica real, tanto en lo
referente a su composición orgánica e inorgánica como a sus características físico-químicas; además, es un
sustrato muy estable lo que permite que sea manipulado con facilidad en estudios a escala de laboratorio
donde se precise aprofundar sobre aspectos del tratamiento de este tipo de residuos.
. Los ensayos de biodegradabilidad mostraron la potencialidad de los lodos en la degradación anaerobia de
los componentes orgánicos del ARD, verificándose la importancia de la afinidad del lodo utilizado como
inóculo con el tipo de sustrato que va a ser tratado.
. Em ambos ensayos, se observó que el compuesto orgánico de más difícil degradación es el lípido. Los
otros compuestos mostraron mayor adaptación por parte de la biomasa presente.
. Dada la simplicidad de los ensayos y la importancia de los resultados que ellos pueden aportar, se
recomienda su utilización paralela en la operación de reactores, como una herramienta adicional en el estudio
y esclarecimiento de las transformaciones que ocurren en los mismos.
. La metodología aplicada en los ensayos, no previó la medición de la producción de biogás durante el
decorrer de los mismos, lo que hubiera sido un parámetro muy valioso en la evaluación de los resultados. Se
recomienda perfeccionar estos ensayos dada su simplicidad y gran potencialidad de aplicación en la
obtención de respuestas rápidas en el desarrollo de los procesos biológicos.
REFERENCIAS
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