ARRANQUE DE REACTORES ANAEROBIOS INDUSTRIALES: DOS CASOS DE ESTUDIO Jorge E. López Hernández**, Juan Manuel Morgan Sagastume* y Adalberto Noyola Robles* **IBTech, S.A. de C.V. Pasadena 18, Col. Del Valle. México 03100, D.F. Fax (5) 682-31-99 *Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Apdo. Postal 70-472; 04510, Ciudad Universitaria, Coyoacán, México D.F., México. Fax (5) 616-21-64

RESUMEN Se analizan y comparan dos experiencias de aplicación a escala real de un procedimiento de arranque de reactores anaerobios para el tratamiento de aguas residuales industriales: un reactor UASB en la planta de tratamiento de Ricolino, S.A. de C.V., así como una laguna anaerobia cubierta de flujo ascendente en la planta de Tereftalatos Mexicanos, S.A. de C.V. Este procedimiento hace factible arrancar el reactor UASB en menos de cuatro meses aún con disponibilidad limitada de lodo de inóculo, obteniéndose eficiencias de remoción de DQO superiores al 90%. Por otra parte, demuestra que es factible prescindir totalmente de lodo anaerobio de inóculo aclimatando la purga de un proceso de lodos activados en condiciones desfavorables por inhibición debida a sustrato, como es el caso de la laguna anaerobia, obteniéndose remociones de DQO superiores al 60% en un periodo de seis meses.

INTRODUCCIÓN Para lograr un proyecto exitoso de cualquier proceso biológico no basta con un diseño adecuado. Si bien el diseño básico de un reactor anaerobio del tipo UASB es sencillo, siempre y cuando se respeten los aspectos hidráulicos y cinéticos, su inoculación y arranque puede requerir un alto grado de experiencia y conocimiento. Lo anterior es particularmente cierto cuando no se cuenta con inóculos adecuados o adaptados, caso muy común aún en México. En el caso de dos empresas productivas en las cuales se construyó una planta de tratamiento basada en un proceso anaerobio, existía cierta presión por parte de las autoridades para dar cumplimiento a la normatividad ambiental en un plazo perentorio, presión materializada en forma de recargos y multas por descarga de aguas residuales que excedían los máximos límites permisibles para DBO 5 y SST, lo que demandaba celeridad en el arranque de la planta de tratamiento y concretamente del proceso anaerobio. Como es conocido, en el caso de los

reactores UASB, puede lograrse un arranque rápido al inocular los reactores con lodo granular adecuado. Bajo este contexto, la estrategia de arranque del proceso anaerobio adquirió mayor importancia ya que no se disponía de suficiente lodo de inóculo. A continuación se muestran los resultados de la aplicación de esta estrategia desarrollada por los autores para minimizar el tiempo de puesta en marcha.

CASO DE RICOLINO, S.A. DE C.V. La empresa Ricolino, S.A. de C.V., ubicada en la ciudad de San Luis Potosí, S.L.P., fabrica dulces y chocolates confitados. El proceso productivo genera actualmente un caudal promedio de aguas residuales de 110 m3 /d y la descarga llega finalmente al Río Españita.

Figura 1: Vista del reactor UASB de Ricolino.

En el momento en que se diseñó la planta de tratamiento (agosto de 1996), se decidió la instalación de un proceso acoplado anaerobio-aerobio para dar cumplimiento a la norma, debido a la elevada concentración de materia orgánica en el agua residual, tal y como muestra la TABLA 1. El tren de tratamiento consistió de un pretratamiento con base en cribas estáticas y remoción de grasas, de un reactor anaerobio tipo UASB con un postratamiento aerobio tipo lodos activados en su versión completamente mezclada, seguido de una desinfección con hipoclorito de sodio y filtración en medio granular. Los lodos generados en el reactor aerobio se destinan al reactor anaerobio para su digestión y los lodos de purga de este reactor se deshidratan por medio de un filtro prensa.

TABLA 1. DATOS DE DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE RICOLINO , S.A. DE C.V. PARAMETRO Flujo de diseño Temperatura media del agua cruda pH Demanda Química de Oxígeno Total Demanda Bioquímica de Oxígeno Total Sólidos Suspendidos Totales

UNIDAD m3 /d ºC u. de pH MgO2 /l MgO2 /l mg/l

VALOR 172.4 42 5.4 23,363 12,820 2,178

El corazón del proceso es el reactor anaerobio UASB con un volumen de 400 m3 (2 módulos de 200 m3 cada uno). El parámetro de diseño utilizado fue el de carga orgánica volumétrica, expresada en kgDQO/m3 /d. El primer arranque de cualquier reactor anaerobio es lento y requiere de largos periodos de tiempo, debido a las bajas tasas de crecimiento de los microorganismos (Y= 0.03 a 0.08 kgSSVDQO/kgDQOconvertida para bacterias metanogénicas), por lo que siempre es conveniente la inoculación. De hecho, esta es una de las principales desventajas del proceso. Sin embargo, una vez que el sistema ha sido arrancado y se opera adecuadamente es posible considerar que el problema se resuelve en definitiva. En términos generales, es necesario que el volumen de lodo de inóculo sea lo más grande posible en relación con el volumen del reactor y que tenga suficiente actividad y adaptación a las propiedades específicas del agua residual. No hay reglas claras para estimar el volumen conveniente para inocular reactores anaerobios. Un intervalo entre un 10 y un 30% del volumen del reactor puede considerarse aceptable. En general, mientras más inóculo se utilice, mayor será la carga orgánica de arranque. Pero la consideración anterior dependerá sobre todo de la actividad del lodo, entendida como la capacidad del lodo de degradar la materia orgánica a metano por unidad de masa de lodo. Un buen lodo granular presenta actividades superiores a 0.5 kgCH4-DQO/kgSSV/d a 35ºC. La actividad del lodo de inóculo seleccionado para el reactor de Ricolino fue de 0.66 kgCH4-DQO/kgSSV/d a 35ºC. Con esto en mente, se procedió a la compra de 20 m3 de lodo anaerobio de inóculo para acelerar la puesta en operación del reactor UASB. El inóculo procedía de otro reactor UASB operando en una cervecería y estuvo disponible un mes antes del inicio formal de la puesta en marcha (julio de 1997). Desde el momento de la inoculación hasta que el reactor se considera arrancado, lo más importante es la retención de biomasa viable dentro del reactor y su posterior acumulación, aspecto que tiene mucho que ver con la agregación del lodo en gránulos o pelets con tamaños idealmente entre 1 y 3 mm. El cultivo de un lodo granular puede tomar de 2 a 6 meses en el intervalo mesófilo, y de 10 a 12 meses a temperatura ambiente. Afortunadamente, el proceso productivo de Ricolino genera un agua

con temperatura excelente para operar el reactor en el intervalo de mesófilo, lo cual ayudó a una mayor velocidad de crecimiento de la biomasa. Como estrategia, el lodo se alimentó con la misma agua residual a tratar, pero diluida o por lotes, es decir a bajas cargas orgánicas, las que se incrementaron hasta la carga de diseño conforme el lodo mostró señales de incremento de actividad. Los puntos de muestreo y la periodicidad de los mismos se establecieron con base en experiencias previas de los autores. El criterio general para decidir si se aumenta el flujo másico al reactor (kgDQO/d) es su capacidad de generar alcalinidad, ya que uno de los problemas más comunes durante la etapa de arranque es la acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV), lo cual puede llevar a una total acidificación si no se procede con cuidado. Los AGV son productos intermediarios del proceso de digestión anaerobia y su concentración en el efluente puede ayudar a determinar la extensión de dicha digestión. Si durante las primeras semanas del arranque, la concentración de AGV en el efluente es mayor a la del influente, indica que la fermentación se efectúa a una tasa mayor que la metanogénesis y el desarrollo bacteriano procede adecuadamente. Sin embargo, después de que se acumule bastante lodo, deberá registrarse una disminución de la concentración de AGV, hasta llegar a ser ésta menor a la del influente. Esto último es consecuencia de la realización completa de la digestión anaerobia hasta el paso de la metanogénesis. Tal y como establecen Jenkins et al. (1983), el seguimiento de la evolución de la operación del reactor (Figura 1) se efectuó por medio de la relación de alcalinidades alfa (α), definida como:

α=

Alcalinidad a pH 5.75 Alcalinidad a pH 4.3

Jenkins propone simplemente determinar la alcalinidad titulando hasta un valor de pH 5.75 aparte del valor 4.3, ya que en este valor se mide la capacidad amortiguadora de los bicarbonatos del sistema respecto a la disociación de todos los ácidos débiles involucrados, precisamente los AGV. Cuanto más cercano a la unidad es el valor de α, el sistema es más estable y se puede proceder al incremento de carga. Speece (1996) presenta en su texto una discusión excelente acerca de la importancia de la alcalinidad en procesos anaerobios.

Reactor UASB Ricolino 1

julio

0.9

agosto

oct

septiembre

dic

febrero

marzo

abril

0.8

0.7

Alfa

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250

Días de operación

Figura 2: Evolución del parámetro alfa en el arranque del reactor UASB de Ricolino.

En la Figura 2 es posible observar que en el arranque del reactor UASB los datos parten de valores cercanos a 1 ya que en un inicio se agregó una base débil para neutralizar la formación de los AGV dentro del reactor, adición que se suspendió al cabo de 30 días de operación y se esperó la estabilización del mismo (α alrededor de 0.5). El mantener velocidades ascendentes en la cama de lodos cercanas a 1 m/h es sumamente importante para la granulación, hecho que se logra con una recirculación del agua alimentada en lotes. No obstante, durante las primeras etapas de arranque siempre se presenta lavado de lodos, por lo que es importante minimizar esa pérdida con un manejo hidráulico adecuado del reactor. Durante esta etapa se determinó la fracción de SSV en los sólidos totales, ya que de esta forma se evalúa directamente el crecimiento bacteriano: mayores fracciones de SSV sugerirán mayor cantidad de bacterias. Cuando los lodos aumentan apreciablemente su actividad biológica, hay mayor producción de biogás, lo que ayuda a expandir más la cama de lodos y también al lavado de lodo floculento de la parte superior de la cama en formación, lo cual se conoce como la presión de selección del proceso.

El reactor entró en operación estable después de 70 días, momento en que se procedió a alimentar en continuo con eficacias de remoción de DQO total siempre por encima del 90%. Sin embargo, hay que señalar que el flujo descargado por la planta productiva desde ese momento hasta el día de hoy nunca ha sobrepasado los 120 m3 /d (70% del flujo de diseño del reactor anaerobio). En la Figura 3 se muestra la variación de DQOtotal a la entrada y salida del reactor.

Reactor UASB Ricolino 60000

50000

DQOt influente DQOt efluente

DQO (mg/L)

40000

30000

20000

10000

0 0

20

40

60

80

100

120

140

Días

Figura 3. DQO total a la entrada y salida del proceso anaerobio de Ricolino

Todas las observaciones realizadas acerca de los parámetros descritos líneas arriba, sirven de igual forma para evaluar el funcionamiento del reactor UASB durante su arranque que durante su operación en estado estacionario o permanente. Este último comportamiento es el resultado de un arranque exitoso. Los análisis más recientes (octubre 1999) de la operación de la planta de Ricolino, incluida la fase aerobia, son los siguientes (TABLA 2):

TABLA 2. EFICIENCIAS DE TRATAMIENTO ACTUALES DE LA PLANTA DE RICOLINO . PARAMETRO

pH Temperatura DQO total DBO5 total SST

UNIDAD

u. de pH ºC mg/l mg/l mg/l

VALOR DE DISEÑO

VALOR PROMEDIO ACTUAL DEL AGUA CRUDA 5.4 5.5 37.2 23,363 10,870 12,820 5,945 2,178 637

VALOR PROMEDIO EFLUENTE DEL SEDIMENTADOR SECUNDARIO 8.0 26.0 248 112 101

EFICIENCIA DE REMOCIÓN (%) N.A. N.A. 97.6 98.1 84.2

CASO DE TEREFTALATOS MEXICANOS, S.A. DE C.V. (MÉXICO) La empresa Tereftalatos Mexicanos, S.A. de C.V. (Temex), ubicada en la ciudad de Cosoleacaque,Veracruz, es una industria petroquímica del Grupo Alfa que fabrica ácido tereftálico de alta pureza. Debido a un incremento en su producción, fue necesario construir un sistema anaeróbico previo al proceso aerobio existente. Con este fin, a principios de 1997 se diseñó un proceso consistente en la modificación de una laguna existente para convertirla a una laguna anaerobia mejorada con flujo ascendente y cubierta parcialmente con una membrana flexible para la colección del biogás (TABLA 3). La laguna anaerobia se dividió en tres secciones, todas dotadas con un sistema de distribución de tuberías en el fondo conduciendo el agua a gravedad de una sección a la otra (ver Figura 4).

Figura 4. Vista de la segunda sección (derecha) y reactor UASB (izquierda) del reactor anaerobio de Temex.

Dado que el agua cruda es una mezcla compleja de ácidos orgánicos con diferentes cinéticas de degradación, el diseño multietapas tomó en cuenta esta consideración al incorporar un patrón de flujo pistón. En las dos primeras secciones, donde la parte superior está cubierta con una membrana flexible de confección italiana, se degradan parcialmente los ácidos acético y tereftálico (volúmenes de sección de 5,813 y 8,719 m3 respectivamente). Por su parte, la tercera sección (6,276 m3 ) tiene la configuración de un reactor UASB convencional en el cual el biogás

se colecta por un sistema de campanas superpuestas. Esta última sección funciona realmente como sedimentador y tiene la intención de eliminar parcialmente los últimos dos componentes del agua cruda, el ácido p-toluíco y tereftálico, cuya degradación es inhibida por la presencia de los dos primeros.

TABLA 3. DATOS DE DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE TEREFTALATOS MEXICANOS, S.A. DE C.V. PARAMETRO Flujo de diseño Temperatura media del agua cruda pH Demanda Química de Oxígeno Total Sólidos Suspendidos Totales

ABREVIACION Qavg T pH DQOT SST

UNIDAD m3 /d ºC u. de pH mg/l mg/l

VALOR 5,520 40 4.5 10,300 2,178

Experiencias previas a nivel mundial hablan de periodos de aclimatación de la biomasa prolongados (Kleerebezem, 1997), por lo que desde un principio se consideró inútil comprar lodo granular anaerobio para un arranque rápido. Como inóculo se utilizó el lodo de purga del proceso aerobio ya existente y que se había acumulado durante largo tiempo en otra laguna. Este lodo fue seleccionado previamente mediante pruebas de laboratorio y posteriormente acondicionando en batch 10 meses antes del término de la construcción de la laguna anaerobia, la cual quedó finalmente construida y probada a mediados de 1998 (Noyola et al, 1999). El acondicionamiento del lodo consistió simplemente en mantenerlo mezclado con adición periódica de macronutrientes (nitrógeno y fósforo) y alimentación en lotes de agua cruda hasta el momento en el que se procedió a traspasar paulatinamente este lodo a la laguna anaerobia ya lista para recibirlos (agosto de 1998). Debido a la elevada concentración de ácidos orgánicos débiles, en este caso resultó inútil utilizar la medición de alcalinidades y el factor α como parámetro de control del arranque. En vez de ello, se hizo seguimiento a la degradación de DQO total que se obtenía en la laguna anaerobia, la cual se alimentó inicialmente en continuo con sólo el 10% del flujo de diseño y recirculación del efluente para retornar alcalinidad al sistema. El progreso se muestra en la Figura 5. Desde el inicio del arranque ha sido necesaria la neutralización del agua cruda con sosa cáustica, la cual también ayuda a solubilizar las sales presentes en el agua, relativamente insolubles a valores de pH en el intervalo ácido.

3500 3000 2500 m3 2000 /da y 1500 1000 500 0

N98

D98

E99

F99

M99

A99

M99

J99

J99

A99

S99

Figura 5. Evolución de la carga a la laguna anaerobia de Temex.

Actualmente, la laguna anaerobia trata 3,120 m3 /d (57% del flujo volumétrico de diseño) pero sólo el 30% del flujo másico de diseño, con una eficacia de remoción de DQO total del 63%, lo cual se encuentra dentro de lo esperado conforme con la dificultad de degradación de este sustrato.

CONCLUSIONES Para lograr un arranque exitoso es imprescindible que la biomasa viable se retenga en el reactor y que su actividad se incremente con el tiempo, lo cual se logra estableciendo una estrategia de alimentación adecuada de acuerdo con el tipo de sustrato, su concentración y el volumen y características del lodo de inóculo disponible. El arranque de un reactor anaerobio para aguas residuales industriales con alta concentración de materia orgánica es un proceso delicado que exige amplio conocimiento de los involucrados si se espera que sea exitoso en poco tiempo. Para ello, el uso de un lodo de inóculo adecuado en cantidad razonable es imprescindible, ya que permite reducir sensiblemente el tiempo en el cual el proceso entra en régimen, además de asegurar en todo momento el control de la acidificación del reactor. En ese mismo tenor se enfatiza el hecho de que los criterios para el control analítico del arranque en términos de periodicidad, número y parámetros de referencia se establecen en función a la experiencia y dominio de la especialidad por parte de quien diseña y arranca los procesos de tratamiento.

REFERENCIAS Field R.J. (1986). Start-up and operation of UASB reactors, in Reactor Start-up course notes, Cali, Colombia, pp. 1-15 (in Spanish). Jenkins S.R., Morgan J.M. y Sawyer C.L. (1983). Measuring anaerobic sludge digestion and growth by a simple alkalimetric titration, J. Wat. Pollut. Control Fed., 55, (5), 448-453. Kleerebezeem et al (1997). Anaerobic pretreatment of petrochemical effluentes: terephtalic acid wastewater. Wat. Sci. Tech., 36 (2-3), 237-248. Noyola et al (1999). Upgrade of a petrochemical wastewater treatment plant by an upflow anaerobic pond, en Memorias de la Conferencia Waste Minimisation and end of pipe treatment in chemical and petrochemical industries, IAWQ International Specialised Conference of the Chemical Industry Group, Mérida, México, 1999. Speece, R.E. (1996). Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters. Archae Press.