USO DE UN PRODUCTO BIOTECNOLÓGICO EN EL TRATAMIENTO AEROBIO DE AGUAS RESIDUALES Petia Mijaylova Nacheva, Emilio Soriano O.* Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Paseo Cuauhnáhuac No.8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos, 62550, México; Tel. (73) 19-40-00 ext.432, Telfax. (73) 19-43-66; e-mail: [email protected] *Grupo Mardupol S.A. de C.V., División Ambiental

RESUMEN Actualmente en el mercado existe un gran número de productos recomendados como estimulantes de los procesos biológicos en las plantas de tratamiento de aguas residuales. En el presente trabajo se reportan los resultados del estudio de la aplicación de uno de estos productos para el tratamiento biológico de un agua residual doméstica y de un efluente industrial. Con el agua doméstica, la adición del producto bioestimulante en dosis 0.1-0.29 mg/l permitió mejorar el proceso aumentando la remoción de DQO en un 3-6%, reduciendo la concentración de la DQO del efluente en unos 10-15 mg/l, sin que esto produzca crecimiento excesivo de la biomasa. En el caso del influente industrial, manejando una carga de 0.3 mg DQO/(mgSSV.d), la remoción de materia orgánica aumentó en un 1.5% cuando el producto fue adicionado en dosis alrededor de 0.75 mg/l, obteniéndose así un efluente de 188 mg/l de DQO contra los 460 mg/l de DQO que permitió lograr el sistema en las mismas condiciones pero sin adición del producto. Mejoró también la sedimentabilidad de la biomasa, aumentó ligeramente su tasa de crecimiento, el sistema fue más estable y resistente a variaciones en las cargas orgánicas. Palabras Clave : Aguas residuales, biodegradación aerobia, bioestimulantes.

INTRODUCCIÓN El tratamiento biológico aerobio ha sido muy exitoso en la remoción de contaminantes orgánicos en estado disuelto y coloidal de las aguas residuales. El buen funcionamiento del proceso depende de una serie de factores ambientales, del tipo de sustrato, del mecanismo de biodegradación, de la composición de la biomasa y de la dinámica de la población. Durante la última década se sentaron las bases del conocimiento del metabolismo de sustancias xenobióticos. Se constató que los microorganismos en los sistemas convencionales tienen limitaciones y no en cualquier condición son capaces de degradar los xenobióticos o los degradaban a velocidades no suficientemente altas como para impedir una serie de impactos ambientales adversos. Con base en estudios de los factores que controlan las velocidades de degradación microbiana, y los mecanismos de degradación, se propusieron modificaciones de los sistemas existentes y nuevas biotecnologías de tratamiento de aguas residuales. Una de estas es la bioestimulación que consiste en una modificación ambiental capaz de suprimir algún factor limitante que está restringiendo la velocidad del crecimiento microbiano y el metabolismo de la sustancia contaminante (Atlas R.M., 1997).

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Por otro lado, estudiando las características y las capacidades de microorganismos que de forma natural se desarrollaban en los sistemas de tratamiento de efluentes industriales o en suelos contaminados, se revelaron mayores actividades degradadoras de algunos microorganismos específicos. Durante los últimos años se ha demostrado que algunos microorganismos específicos son capaces de atacar y mineralizar muchos de los materiales peligrosos que antes se pensaba que no eran degradables biológicamente (Neilson et al.,1988; Suflita et al.,1982). Esto también tuvo un impacto sobre el diseño de los reactores, ya que cada tipo de microorganismo puede precisar una serie de requisitos distintos para realizar bien su actividad degradadora. En un proceso biológico, la descomposición de los constituyentes del agua residual se realiza mediante una o más vías, las cuales pueden incluir un número grande de compuestos intermediarios. Cada paso en este proceso incluye un sistema enzimático específico, constituido por una o varias enzimas las cuales son catalizadores orgánicos y que son producidas por los microorganismos. Químicamente las enzimas son proteínas combinadas o con una molécula inorgánica o con una molécula orgánica de bajo peso molecular. Si la producción de una de las enzimas requeridas es inhibida por la presencia de alguna sustancia química, la cadena de reacciones puede ser bloqueada y puede ocurrir acumulación de un compuesto intermedio. Los inhibidores del tratamiento biológico no necesariamente tienen que estar presentes en el substrato inicial, éstos pueden ser producidos en el mismo proceso mediante bio-transformación y mediante la producción de metabolitos cuya velocidad de descomposición es significativamente más baja que la velocidad de su formación. Las vías enzimáticas requeridas para la descomposición de los carbohidratos, las proteínas y las grasas son muchas, por lo cual no tienen lugar inhibiciones en la oxidación biológica de estos substratos comunes. Sin embargo, la oxidación de algunas sustancias orgánicas presentes en los efluentes industriales puede incluir mecanismos enzimáticos selectivos y puede ser muy fácilmente inhibida mediante un bloqueo de al menos una de las reacciones involucradas. Es posible, sin embargo, identificar varios compuestos (factores de crecimiento), los cuales efectivamente evitan este bloqueo de las reacciones enzimáticas respectivas, cuando son añadidos en pequeñas cantidades al reactor, y de esta forma aceleran la descomposición biológica. Es por esto que algunos efluentes industriales son más fáciles de tratar mezclados con otros efluentes que contengan estos compuestos. Para mejorar la operación del tratamiento biológico de efluentes industriales a veces se recomiendan algunos aditivos-biocatalizadores comercialmente disponibles. Estos aditivos generalmente contienen una mezcla de enzimas grado técnico, masa bacteriana seca y productos intermedios de fermentación bacteriana. La aplicación de estos aditivos sin previo estudio de la dinámica de la población y del metabolismo microbiano y sin el control preciso de los sistemas, puede incurrir en aumentos sustanciales de los costos sin una aportación de gran valor. Actualmente en el mercado existe un gran número de productos, desarrollados a través de la biotecnología, que son recomendados como estimulantes de los procesos biológicos en las plantas de tratamiento de aguas residuales. En el presente trabajo se reportan los resultados del estudio de la aplicación de uno de estos productos para el tratamiento biológico aerobio de aguas residuales domésticas y para el tratamiento de un efluente industrial con alta carga orgánica y presencia de compuestos xenobióticos.

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METODOLOGÍA Objeto del estudio fue el producto bioestimulante Ecoterra WA, mezcla de bacterias (58 cepas), de las cuales las principales son: Bacillus subtilis, productores de amilasas, proteasas, lipasas y celulasas, requiere de condiciones aerobias para su crecimiento; Bacillus polymixa, degradador de hidrocarburos, fenoles, alcoholes, solventes orgánicos, lignocelulosa, celulosa y otros materiales; Bacillus sp. degradadores de hidrocarburos; Bacillus licheniformes, productores de amilasa y celulasa, puede desarrollarse aun en condiciones de poco oxígeno; Bacillus stearothermophilus (50°C), productor de enzimas a muy altas temperaturas; Bacillus megaterium, productor de gran gantidad de enzimas; Pseudomonas fluorescens, buenas degradadoras de compuestos con estructuras que dificultan la biodegradación. Tienen capacidad degradar algunos compuestos orgánicos cíclicos, polisacáridos complejos, fibras naturales resistentes y una gran gama de productos metabólicos vegetales (Cheremisinoff, 1994). El producto se recomienda para aplicaciones en el tratamiento biológico aerobio de aguas residuales municipales, tiene apariencia física de polvo, existen recomendaciones preliminares con respecto a su dosificación. El intervalo de temperatura especificado es muy amplio, de 5 a 50°C y el de pH entre 6.0 y 8.5. Analizando la composición de este producto biotecnológico, se pueden esperar grandes beneficios para la degradación de compuestos xenobióticos presentes en la mayoría de las aguas residuales industriales, por lo cual en el estudio se incluyó y la evaluación de Ecoterra WA como aditivo en el tratamiento biológico de las aguas residuales provenientes de una industria de síntesis orgánica. Las pruebas para determinar el efecto de la aplicación del producto bioestimulante se realizaron a nivel laboratorio, simulando un sistema biológico aerobio con biomasa en suspensión operado en régimen secuencial intermitente. El ciclo fue de una duración de 24 horas, de las cuales 2 horas se ocupaban en sedimentación y 2 horas en purga del sobrenadante, alimentación y reposo antes de arrancar la aeración. De esta forma, el tiempo de aeración en un ciclo fue de 20 horas. Ocho reactores de un volumen de 9 litros cada uno, se inocularon con biomasa de un sistema lodos activados que trata aguas residuales domésticas. El aire se introducía por la parte de abajo de los reactores, dispersándolo a través de piedras porosas y controlando su cantidad mediante válvulas. En cuatro de los reactores se realizó el estudio del proceso de biodegradación aerobia con aguas residuales tipo domésticas y en los demás con el efluente industrial de síntesis orgánica. En cada caso se usó un reactor de referencia, sin adición de producto, a los demás reactores el producto se adicionaba en diferentes dosis. El esquema del arreglo experimental se presenta en la Figura 1. El agua residual doméstica modelo, durante la experimentación, presentó valores de DQO desde 175 hasta 912 mg/l, SST entre 120 y 210 mg/l y un pH entre 7.0-7.5.

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Reactores de referencia (sin bioestimulante)

Agua residual municipal

R1

Adición de bioestimulante en diferentes dosis: D1 D2 D3

R2

R4

Aire

Agua residual industrial

R1

R2

R3

R4

Figura 1. Esquema del arreglo experimental.

El efluente industrial, de síntesis orgánica, tenía un alto contenido de materia orgánica constituida fundamentalmente por alcoholes, aldehidos, aminas y cetonas. El agua residual contenía también algunos compuestos tóxicos orgánicos, tales como tolueno hasta 700 mg/l y fenol hasta 170 mg/l. La DQO del agua utilizada para las pruebas fue de 20,000 mg/l. Los SST fueron menos de 200 mg/l, el NTK de 180 mg/l, el N-NH3 de 100 mg/l, los nitratos y los fosfatos fueron menores de 0.1 mg/l. La biomasa utilizada para la inoculación de los reactores tenía las siguientes características: SST de 1,171 mg/l, SSV de 786 mg/l, SSV/SST de 0.67, pH de7.0, DQOsoluble de 70 mg/l. Una vez inoculados, los reactores se operaron por el tiempo requerido para la estabilización del proceso, en el caso de aguas residuales domésticas y para lograr la adaptación de la biomasa al nuevo sustrato, en el caso del efluente industrial. Después se realizó la primera evaluación del proceso con las primeras tres dosis del producto. A los cuatro reactores de cada grupo se alimentaban cantidades iguales de agua residual. Terminada la primera evaluación, se incrementaron las dosis, se estabilizó otra vez el proceso y se realizó una segunda evaluación. En la Tabla 1 se presenta la duración de cada fase y las dosis de producto utilizadas.

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Tabla 1. Fases del estudio de la aplicación del producto bioestimulante Fases

Dosis del producto

Agua doméstica Agua industrial Día desde Duración, Día desde Duración, el arranque d el arranque d Arranque, desarrollo y R1-0; R2-0.10 mg/l; 1-51 51 1-33 33 adaptación de la R3-0.29 mg/l; biomasa, estabilización R4-0.40 mg/l Primera evaluación R1-0; R2-0.10 mg/l; 52-114 62 34-88 54 R3-0.29 mg/l; R4-0.40 mg/l Estabilización R1-0; R2-0.50 mg/l; 115-144 29 89-120 31 R3-0.75 mg/l; R4-1.00 mg/l Segunda evaluación R1-0; R2-0.50 mg/l; 145-259 114 121-236 115 R3-0.75 mg/l; R4-1.00 mg/l

En el período de desarrollo y adaptación de la biomasa, no se realizaban purgas de sólidos de los reactores con objeto de alcanzar valores de SSV alrededor de 2,000 mg/l en los reactores alimentados con agua residual doméstica y de 3,000 mg SSV/l en los reactores alimentados con el efluente industrial. La carga orgánica másica (relación alimento/microorganismos o F/M) aplicada en los reactores con agua doméstica fue alrededor de 0.4 gDQO/(gSSV.d). En los reactores alimentados con el agua industrial, la carga se aumentó paulatinamente, de 0.2 hasta 0.5 gDQO/(gSSV.d). En este caso, al agua industrial se le adicionaban los fosfatos y micronutrientes necesarios para el proceso de biodegrdación. El criterio de estabilización del proceso fue: remociones constantes y mayores de 80%, crecimiento de la biomasa constante que permita mantener la concentración de la biomasa con purgas de volúmenes de biomasa iguales de los cuatro reactores, pH en el rango 7-8, OD en el sistema mayor de 2 mg/l. El control del proceso de biodegradación aerobio se llevó a cabo mediante la determinación de los siguientes parámetros: OD, pH, T, respiración (velocidad de consumo de oxígeno, velocidad de respiración o velocidad específica del consumo de oxígeno), SST, SSV, DQO del influente (DQOi) y del efluente (DQOe). Los primeros tres se determinaban diario, los sólidos y DQO dos veces por semana. Al final de cada período de evaluación se determinaban también la remoción de Coliformes Fecales y Totales en el proceso, así como la remoción de N y P. Los análisis físico-químicos y microbiológicos se realizaron con base en las técnicas establecidas en Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1995).

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Durante las evaluaciones, la concentración de la biomasa en los reactores se trataba de mantener constante mediante purgas de sólidos efectuadas de la biomasa sedimentada. El volumen de las purgas se estimó de tal forma que la concentración de la biomasa se mantenga constante al menos en el reactor de referencia. Así, en el estudio con el agua residual doméstica, la purga de lodo sedimentado de cada reactor fue de 100 ml/d. En el estudio con el agua industrial, durante la primera etapa de la evaluación se extraía la misma cantidad y durante la segunda la purga se aumentó a 110 ml/d. La concentración de SSV en la purga se determinaba aproximadamente 2 veces por semana. La sedimentabilidad de la biomasa se evaluaba mediante la determinación del índice volumétrico de lodos (IVL). El IVL, la velocidad de consumo de oxígeno (VCO) y la velocidad de respiración (VR) se determinaron según (WEF-PROBE, 1994). Para determinar el efecto de la adición del producto bioestimulante en el tratamiento de ambos tipos de aguas residuales, se evaluaron los siguientes aspectos: eficiencia de remoción de la materia orgánica; cambios en la respiración de la biomasa; crecimiento de la biomasa; sedimentabilidad de la biomasa; remoción de patógenos; remoción de nitrógeno y fósforo.

RESULTADOS Adición del bioestimulante en el tratamiento biológico del agua residual doméstica En la Tabla 2 se presentan los valores promedio y las desviaciones estándar de la DQO del agua residual doméstica alimentada a los reactores (DQOi) durante la primera y segunda evaluación de la aplicación del producto bioestimulante, así como la concentración de SSV , la carga orgánica y la temperatura promedio en los reactores. Durante la primera evaluación (las primeras tres dosis del producto), la purga diaria de biomasa permitió obtener concentraciones de SSV similares en los cuatro reactores. Las cargas orgánicas fueron también iguales ya que se alimentaban las mismas cantidades de aguas residuales en todos los reactores. En la segunda evaluación, cuando se experimentaron dosis más elevadas del producto, la cantidad de las purgas de los reactores R3 y R4 no fue suficiente para mantener constante la concentración de los SSV, por lo cual los valores de la F/M en estos reactores fueron más bajos.

Tabla 2. Variables del proceso en el estudio de la adición del producto en el tratamiento biológico del agua residual doméstica Etapa No de reactor DQOi, mg/l SSV, mg/l F/M, T, °C mgDQO/(mgSSV.d) Primera R1, R2, R3, R4 319 ± 96 1,949 ± 360 0.153 ± 0.053 17.1 ± 1.0 evaluación Segunda R1 1,817 ± 259 0.210 ± 0.049 evaluación R2 469 ± 156 18.2 ± 0.8 1,885 ± 380 0.206 ± 0.060 R3 2,824 ± 715 0.143 ± 0.056 R4 2,931 ± 503 0.132 ± 0.034

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En la Figura 2 se ilustran los resultados de las pruebas de tratamiento biológico de las aguas residuales domésticas, con y sin adición del producto. La aplicación del producto bioestimulante en dosis 0.1-0.4 mg/l permitió mejorar el proceso aumentando la remoción de DQO en un 3.07.9% y reduciendo la concentración de la DQO del efluente en unos 10-23 mg/l. El aumento de la dosis más de 0.5 mg/l no aumentó la eficiencia del proceso. En la segunda etapa de la evaluación, el proceso en el reactor de referencia presentó una eficiencia mayor que en la primera etapa, casi de 90%. La aportación de la adición del producto al aumento de la remoción de DQO fue en este caso mucho menor. Se observa que en cuanto más estable es el proceso y de mayor capacidad la biodegradación, menor es el efecto de la adición del producto en estudio. En este sentido se puede recomendar el uso del producto en los períodos de arranque de los sistemas de tratamiento aerobios.

60

90

50

88 40 86 84

30

82

20 0

0.2

0.4

0.6

0.8

DQOe, mg/l

Remoción de DQO, %

92

R,1a evaluación R, 2a evaluación DQOe, 1a evaluación DQOe, 2a evaluación

1

Dosis, mg/l

Figura 2. Efecto de la dosis del producto Ecoterra WA sobre la remoción y la concentración de DQO en el efluente del sistema biológico para tratamiento de aguas residuales domésticas.

En la Figura 3 se presentan los resultados del control de los SSV en los reactores en las dos etapas del estudio con aguas residuales domésticas. La adición del producto en bajas dosis hasta 0.29 mg/l no causó aumento del crecimiento de la biomasa, sin embargo, en dosis más altas sí. El balance de masa realizado para cada uno de los reactores permitió calcular las tasas de crecimiento (Tabla 3). La tasa de crecimiento aumentó en un 3-4% cuando el producto se adicionaba en dosis de 0.4-0.5 mg/l (intervalo óptimo para aumentar la remoción de DQO) y en un 10-11% cuando la dosis fue de 0.75-1.0 mg/l. Un incremento excesivo del crecimiento es indeseable en la operación de los sistemas de tratamiento biológicos ya que provoca aumentos de la cantidad de lodos residuales. Con base en lo anterior, las dosis óptimas para la adición del bioestimulante son de 0.1-0.29 mg/l, ya que en este intervalo el producto no estimula el crecimiento de la biomasa y permite obtener incrementos de la remoción de DQO en un 3-6%.

7

a)

b) 3500

SSV R1

3500 SSV, mg/l

3000 SSV, mg/l

4000

2500 2000

SSV R2

3000

SSV R3

2500

SSV R4

2000

Lineal (SSV R1)

1500

1500

Lineal (SSV R2)

1000

1000

Lineal (SSV R3)

50

70 90 Tiempo, d

110

140 170 200 230 260 Tiempo, d

Lineal (SSV R4)

Figura 3. Concentración de la biomasa en los reactores durante el estudio con las aguas residuales domésticas: (a) primer período de la evaluación; (b) segundo período de la evaluación.

En la Tabla 3 se presentan los valores promedio y la desviación estándar de los parámetros velocidad de consumo de oxígeno (VCO), velocidad de respiración (VR) e índice volumétrico de lodos (IVL) determinados en ambas evaluaciones del estudio con aguas residuales domésticas. Se observa que no hay diferencias significativas entre los promedios obtenidos para VCO y VR en los diferentes reactores, las diferencias son menores que la desviación estándar. Durante el estudio la VCO varió en un rango de 6.48-31.68 mg O2 /(l.h) y la VR entre 3.40 y 20.61 mg O2 /(gSSV.h). Estos rangos son característicos para ambos parámetros y normalmente se presentan en sistemas de lodos activados, aeración extendida. La adición del producto no aumentó la velocidad de respiración. El IVL presentó valores promedio similares en los cuatro reactores en ambas etapas de la evaluación, las diferencias son menores que la desviación estándar calculada por reactor. El IVL variaba entre 62 y 99 ml/g durante la primera evaluación y entre 85 y 107 ml/g durante la segunada, lo cual indica una buena sedimentabilidad de la biomasa en todos los reactores. No se observa mejora de la sedimentabilidad debida a la adición del producto.

Tabla 3. Respiración, crecimiento y sedimentabilidad de la biomasa determinados en el estudio con aguas residuales domésticas Etapa Primera evaluación

Segunda evaluación

No. Reactor R1 R2 R3 R4 R1 R2 R3 R4

D, mg/l 0 0.1 0.29 0.40 0 0.50 0.75 1.00

VCO mg O2 /(l.h) 13.36± 4.63 21.16± 5.50 18.16± 6.22 19.86± 4.90 18.75 ± 5.24 13.14± 5.50 14.74± 6.22 14.40± 4.90

VR mgO2 /(gSSV. h) 10.31 ± 3.37 10.58± 2.69 9.18± 4.18 11.16± 3.03 7.72 ± 4.18 6.88± 2.37 5.11± 1.89 4.96± 2.28

* DQOrem – DQO removida en el proceso de biodegradación.

8

Crecimiento, mg SSV /mg DQOrem* 0.434 0.434 0.434 0.452 0.424 0.437 0.467 0.472

IVL, ml/g 73.7 ± 6.5 77.4± 7.3 76.1± 9.2 73.6± 5.46 95.2 ± 4.7 94.6± 4.2 96.8± 5.6 97.6± 5.0

En las dos etapas de evaluación del producto Ecoterra WA se determinó su efecto en el pH del sistema, el cual depende de la dosis de aplicación, como se puede observar en la Figura 4. La adición del producto provoca un ligero aumento del pH en el licor mezclado de los reactores.

8.4

pH

8.0

1era evaluación

7.6

2a evaluación

7.2 6.8 6.4 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Dosis, mg/l Figura 4. Incremento del pH en el tratamiento biológico del agua residual doméstica al adicionar Ecoterra WA en diferentes dosis.

100 96 92 88 84 80 76

1.E+06 1.E+05 1.E+04 1.E+03 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Dosis, mg/l

Coliformes, NMP/100 ml

R,%

La evaluación de la remoción de Coliformes Fecales y Totales en ambas fases del experimento con aguas residuales domésticas indicaron que la aplicación del producto no aumenta la remoción de microorganismos patógenos. En la Figura 5 se presentan los valores promedio de las evaluaciones, siendo el contenido promedio de Coliformes Fecales en el agua residual modelo de 4.5x107 NMP/100 ml. Las remociones determinadas sin y con producto fueron en unas 2-3 unidades log (99.9-99.9% de remoción), típicas para sistemas biológicos de tratamiento aerobio.

R de Colif. Fecales, 1a evaluación R de Colif. Fecales, 2a evaluación R de Colif. Totales, 1a evaluación R de Colif. Totales, 2a evaluación Coliformes Fecales agua tratada, 1a evaluación Coliformes Fecales agua tratada, 2a evaluación

Figura 5. Remoción de Coliformes Fecales y Totales en el tratamiento biológico de las aguas residuales domésticas.

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La determinación de la remoción del Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK), Nitrógeno Amoniacal (NNH3 ), Nitrógeno Orgánico (N org) y Fósforo Total (Ptotal) en los cuatro reactores indicó que la adición del producto no aumenta la remoción de estos elementos. Las eficiencias fueron de 8090% para el NTK, de 98% para el N-NH3 , de 70-80% para el Norg y de 31-45 % para el Ptotal. Adición del bioestimulante en el tratamiento biológico del agua residual industrial Las variables del proceso biológico en el estudio con el agua residual industrial se presentan en la Tabla 4. Durante el primer período de evaluación se logró mantener una concentración de SSV y una carga orgánica másica similar en los cuatro reactores. En el segundo período, la cantidad de agua industrial alimentada diariamente a los cuatro reactores se aumentó en un 20 %. Esto se reflejó en un incremento de la F/M en el rector de referencia, pero en sólo 9%, ya que se trabajó con una mayor concentración de los SSV que en el primer período de evaluación. La carga volumétrica en los cuatro reactores se mantenía constante, pero debido al incremento de los SSV que se presentó en los reactores con adición del producto en la segunda evaluación, la carga másica disminuyó ligeramente con el transcurso del tiempo. Esto resultó en valores promedio de F/M en R2, 3 y 4 ligeramente menores que el determinado para R1.

Tabla 4. Variables del proceso en el estudio de la adición del producto en el tratamiento biológico del agua residual industrial Etapa

No de reactor

Primera R1, R2, R3, R4 evaluación Segunda R1 evaluación R2 R3 R4

DQOi, mg/l

SSV, mg/l

20,000

3,948 ± 174

20,000

4,313 ± 370 5,245 ± 874 5,802 ± 1,012 6,699 ± 1,574

F/M, T, °C mgDQO/(mgSSV.d) 0.317 ± 0.014 17.21 ± 0.73 0.350± 0.031 0.294± 0.053 0.267± 0.056 0.2396± 0.068

18.42 ± 0.86

En la Figura 6 se ilustra el efecto de la adición del producto sobre la remoción de la DQO, con base en los resultados en ambas fases de la evaluación. Mayor aportación a la remoción se observó adicionando el producto en dosis 0.29-0.75 mg/l. Con estas dosis fue posible reducir la DQO del efluente desde 440-480 mg/l (obtenidos sin adición del producto) hasta 188-216 mg/l, un efecto muy importante considerando las dificultades que representa lograr esta disminución con métodos convencionales, como pueden ser el aumento del tiempo de retención o la disminución de la carga másica, ambos relacionados con un incremento en el costo unitario del agua tratada. En este sentido la aplicación del producto en el tratamiento puede ser una alternativa viable y muy competitiva. El aumento de la dosis más de 0.75 mg/l no aumentó más la remoción de DQO. Cabe mencionar que la dosis óptima obtenida en el caso de tratamiento del efluente industrial seleccionado como modelo, de una alta DQO (de 20,000 mg/l) es casi dos veces mayor que la dosis óptima determinada para las aguas residuales domésticas con una DQO de 175-912 mg/l.

10

500

98

400

96

300

94

200

92

100 0

0.2

0.4

0.6

0.8

DQOe, mg/l

Remoción de DQO, %

100

R,1a evaluación R, 2a evaluación DQOe, 1a evaluación DQOe, 2a evaluación

1

Dosis, mg/l

Figura 6. Efecto de la dosis del producto Ecoterra WA sobre la remoción y la concentración de DQO en el efluente del sistema biológico para tratamiento de aguas residuales industriales.

En la Figura 7 se presentan los resultados del control de los SSV en los reactores en las dos etapas del estudio con el agua residual industrial. La adición del producto en dosis hasta 0.40 mg/l no causó aumento del crecimiento de la biomasa, sin embargo, en la segunda evaluación se observó claramente la tendencia de crecimiento de la concentración en los Reactores 2, 3 y 4, mientras que los SSV en el Reactor 1 se mantenía constante. Las tasas de crecimiento de la biomasa, obtenidas con base en balances de masa realizados para los reactores en las dos etapas de la evaluación, se resumen en la Tabla 5. El crecimiento específico en los reactores con dosis de Ecoterra WA de 0.1-0.4 mg/l, fue en un 6.3-10.6% mayor que el presentado en el reactor de referencia, sin adición del producto y con dosis de 0.5-1.0 mg/l, en un 10.7-23.2% mayor. Sin embargo, hay que mencionar que el crecimiento en el reactor de referencia, de 0.171- 0.177 mg SSV/mg DQOrem, es mucho menor que el característico para estos sistemas (0.4-0.6 mg SSV/mg DQOrem ), lo cual hace el sistema sensible a choques de carga que pueden provocar inhibición del proceso, del crecimiento o intoxicación. Es por esto que, en este caso, la estimulación del crecimiento en el porcentaje mencionado, se puede considerar como un efecto positivo, como una ventaja de la aplicación del producto. Un crecimiento específico como el determinado en el reactor con la aplicación de la dosis más alta de producto, de 1.0 mg/l, todavía es dos veces menor que el que se presenta generalmente en sistemas de tratamiento de aguas residuales municipales. En la Tabla 5 se presentan también los resultados de las pruebas de respiración en las dos evaluaciones con el agua residual industrial. El análisis estadístico de los valores indica que no hay diferencias significativas entre los promedios obtenidos para VCO y VR en los diferentes reactores, las diferencias son menores que la desviación estándar.

11

a) 5000

b) SSV, mg/l

SSV, mg/l

4500 4000 3500 3000 2500 30 40

50 60 70 Tiempo, d

9500 8500 7500 6500 5500 4500 3500 2500

80 90

SSV R1 SSV R2 SSV R3 SSV R4 Lineal (SSV R1) Lineal (SSV R2) Lineal (SSV R3) Lineal (SSV R4)

120

150 180 210 Tiempo, d

240

Figura 7. Concentración de la biomasa en los reactores durante el estudio con aguas residuales industriales: (a) primer período de la evaluación; (b) segundo período de la evaluación.

Tabla 5. Respiración, crecimiento y sedimentabilidad de la biomasa determinados en el estudio con el agua residual industrial Etapa Primera evaluación

Segunda evaluación

No. Reactor R1 R2 R3 R4 R1 R2 R3 R4

D, mg/l 0 0.1 0.29 0.40 0 0.50 0.75 1.00

VCO mg O2 /(l.h) 21.50± 3.81 19.71± 4.40 19.85± 5.42 20.84± 3.76 15.81± 4.67 18.22± 6.68 20.76± 7.33 22.29± 5.88

VR Crecimiento, mg IVL, ml/g mgO2 /(gSSV. h) SSV /mg DQOrem. 0.171 5.50± 0.96 157.6± 10.5 0.182 5.01± 1.08 142.4± 11.4 0.187 4.98± 1.25 131.6± 10.7 0.189 5.22± 0.87 122.2± 9.2 0.177 3.69± 1.19 163.5± 5.8 0.196 3.39± 1.21 126.8± 7.6 0.204 3.52± 1.37 132.6± 7.9 0.218 3.29± 0.95 137.6± 9.4

En ambas etapas del estudio con el efluente industrial se observó un efecto positivo de la aplicación del producto sobre la sedimentabilidad de la biomasa, el cual se ilustra en la Figura 8. La adición del producto permitió mejorar la sedimentabilidad de la biomasa en un 10-23%. Este efecto es muy importante para los sistemas tipo lodos activados utilizados para tratamiento de efluentes industriales ya que se ha observado que en estos sistemas proliferan microorganismos filamentosos los cuales dan a la biomasa la característica de difícilmente sedimentable. Es por esto que en estos sistemas frecuentemente se introducen métodos para mejorar la sedimentación como pueden ser adición de polímeros antes de los sedimentadores o introducción de módulos laminares. La alternativa de aplicación del producto Ecoterra WA puede ser en este sentido una alternativa muy competitiva.

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IVL, ml/g

200 150 1a evaluación 2a evaluación

100 50 0 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Dosis, mg/l

Figura 8. Efecto de la dosis del producto sobre la sedimentabilidad de la biomasa obtenido en el estudio con el agua residual industrial.

Al igual que en el estudio con aguas residuales domésticas, en las dos etapas de evaluación del producto Ecoterra WA con el efluente industrial se observó su efecto en el pH del sistema, el cual depende de la dosis de aplicación, Figura 9. La adición de Ecoterra WA a reactores aerobios provoca un ligero aumento del pH. En muchas ocasiones, en los sistemas de tratamiento biológicos aerobios diseñados para el tratamiento de efluentes industriales, se presentan efectos de acidificación, debidos a la acumulación de compuestos intermedios (ácidos orgánicos). Estos efectos son debidos a sobrecargas instantáneas o a la descarga de algún compuesto tóxico. La adición del producto a los sistemas introduce una valiosa capacidad búfer al sistema, por lo cual la hace más robusta y estable.

8.4 8.0 1era evaluación

pH

7.6

2a evaluación

7.2 6.8 6.4 0

0.2 0.4 0.6 0.8

1

Dosis, mg/l

Figura 9. Incremento del pH en el tratamiento biológico del agua residual industrial al adicionar Ecoterra WA en diferentes dosis. .

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El agua residual industrial, utilizada como modelo en este estudio, contiene nitrógeno en concentraciones más elevadas que un agua residual doméstica, pero no contiene fósforo. Por lo anterior durante toda la experimentación se adicionaba el fósforo necesario para mantener la vida de los microorganismos. Es por esto que en los efluentes se detectó una pequeña concentración de este elemento (entre 2.5 y 6.6 mg/l). La evaluación de la remoción de nitrógeno indicó que la adición del producto no tuvo un efecto benéfico a la remoción del Nitrógeno Orgánico, la cual se determinó alrededor de 79% en todos los reactores. Sin embargo, la remoción del Nitrógeno Amoniacal aumentó con la adición del producto. En los reactores de referencia la remoción del N-NH3 fue del 10%, mientras que en los reactores con adición del producto fue desde 28 hasta 67%. Este efecto puede ser debido al ligero aumento en el pH del sistema que provoca la adición del producto, por lo cual se intensifica la volatilización del amoníaco. Como resultado, las eficiencias de remoción del NTK fueron en 2-22% mayores en los reactores donde se adicionaba Ecoterra WA.

CONCLUSIONES La adición del producto bioestimulante en dosis óptimas a los reactores biológicos aerobios permite aumentar la eficiencia del proceso de tratamiento. Es más impactante la aplicación para mejorar la biodegradación en reactores que tratan efluentes industriales con alta carga orgánica y presencia de compuestos xenobióticos que la aplicación en el tratamiento biológico de aguas residuales domésticas. En el primer caso se mejora también la sedimentabilidad de la biomasa, aumenta ligeramente su tasa de crecimiento, el sistema se vuelve más estable y resistente a variaciones en las cargas orgánicas. Para verificar el funcionamiento de los productos aditivos a los sistemas de tratamiento biológicos, sus efectos adversos, así como para determinar sus dosis óptimas de aplicación, se necesita la realización de estudios preliminares. Una vez aplicado el producto, se necesita dar un seguimiento mediante muestreos continuos para optimizar la tecnología y garantizar su éxito.

REFERENCIAS Atlas Ronald M. (1997). Bioestimulación para mejorar la biorrecuperación microbiana, en el libro Biotratamiento de residuos tóxicos y peligrosos, editado por Morris A. Levin y Michael A.Gealt, McGraw-Hill/Interamericana de España, S.A.U. Cheremisinoff P.N. (1994) Biomanagement of wastewater and wastes, PTR Prentice Hall, New Jersey, p. 62. Neilson,A.H., A.A.Allard, P.Hynning and M.Remberger.(1988). Transformations of Halogenated Aromatic Aldehyds by Metabillically Stable Anaerobic Enrichment Cultures. Appl. Environ. Microbiol. 54(9):2226-2232. Suflita, J.M., A.Horowitz, D.R.Shelton and M.Tiedje.(1982). Dehalogenation: A Novel Pathway for the Anaerobic Biodegradation of Haloaromatic Compounds. Science. 218: 1115-1117. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1995). 19th ed., American Public Health Association/ American Water Works Association/ Water Environment Federation, Washington D.C. WEF-PROBE, (1994). Basic activated sludge process control, USA.

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