XIV CONGRESO DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL AIDIS - CHILE Santiago, Octubre de 2001

ELIMINACIÓN DE GRASAS Y ACEITES EN PLANTAS DE TRATAMIENTO POR FANGOS ACTIVOS, UNA COMPARACIÓN ENTRE EL LABORATORIO Y LA ESCALA REAL Pedro Cisterna O.(1)

(1) Ingeniero Civil Químico, Dr. Ing. Químico (c) Subgerencia de Medio Ambiente, ESSBIO S.A. Pedro Aguirre Cerda 1129,Concepción, Concepción, Chile e-mail: [email protected],

INTRODUCCIÓN En esta experiencia se lleva a cabo un seguimiento de los distintos parámetros operacionales que entregan información acerca de la operación de dos sistema de tratamiento por fangos activos cuando son alimentados con un influente que posee aceite como uno de sus principales sustratos, uno de estos sistemas corresponde a la planta de tratamiento de Chillán, que es la de escala real y el otro sistema es de laboratorio, en este último se trabaja con rangos más amplios de concentración de aceite en el influente y los resultados obtenidos se comparan con los reales cuando es posible y a la vez sirven de referencia y antecedente. Para el caso de substratos, tales como las grasas y aceites que son insolubles en agua, el proceso de depuración o eliminación de éstas va a presentar un comportamiento específico, que va estar dado en gran medida por la no solubilidad del sustrato en agua, lo que da origen a un sistema líquido constituido por dos fases, una aceitosa en forma de emulsión y otra continua que sería el agua. Para mitigar esta limitante es importante lograr niveles de emulsividad altos, la emulsividad es una variable que está estrechamente relacionado con el tamaño de las burbujas, a menor tamaño de las burbujas se logra una mayor emulsividad y con ello una mayor área de contacto o de interfase entre los fluidos y por ende con los microorganismos, los que están en estrecho contacto con el agua. La cinética química ofrece una variante importante, que es la de requerir de la hidrólisis de grasas y aceites previa a la bioadsorción de la materia orgánica por parte de los flóculos bacterianos para lo cual es necesario que los microorganismos exuden unas enzimas llamadas genéricamente lipasas que hidrolizan las grasas, con lo que rompen las moléculas de triacilglicéridos liberando los ácidos grasos que lo constituyen y el glicerol respectivo, que es la etapa inicial de la biodegradación de este tipo de compuestos y a la vez la etapa controlante del proceso bioquímico. En cuanto a la transferencia de oxígeno, ésta adquiere importancia una vez que las grasas se rompen en ácidos grasos y glicerol, ya que a partir de esta es cuando comienza la etapa de degradación bioquímica y se tiene que para el caso de aguas residuales que contengan aceites y/o grasas eventualmente pueden producirse films aceitosos que obstaculicen el paso de oxígeno a las células, con lo cual disminuye la eficiencia del proceso.

MARCO TEÓRICO La biodegradación de sustancias débilmente o nada solubles en agua, es uno de los mayores problemas en las biotecnologías sanitarias de residuos sólidos y líquidos contaminados. De hecho muchos modelos que predicen la degradación microbiológica de contaminantes sólo consideran el hecho que los compuestos orgánicos están sólo disponibles para los microorganismos cuando están en estado disuelto. La transferencia de masa puede ser limitante en la tasa de biodegradación de compuestos débilmente solubles, conduciendo a un crecimiento no exponencial de los microorganismos y con ello a una tasa de conversión no exponencial (Volkering y cols, 1993). En el contexto de un reactor tradicional el contacto eficiente de las dos fases líquidas es muy importante, con lo que se tendrá una alta área intefacial entre las dos fases, ya que así las limitaciones de transferencia de materia son reducidas o eliminadas. El área interfacial es ampliada entregando energía al sistema, ya sea por agitación mecánica o por campos eléctricos. En lo que respecta al tanque agitado de mezcla completa y el correspondiente nivel de dispersión hay dos importantes factores que determinan en gran medida el nivel de emulsividad, como son la distribución de tamaño de las burbujas y la fracción de la fase dispersa. Se tiene que el tamaño medio de burbuja está entre 150 um a 250 um (Tsouris y cols.,1997). La agitación mecánica es susceptible de mejoramiento a través de la aplicación de una agitación mecánica no estacionaria que consiste en el desplazamiento de la hélice rotatoria desde arriba hacia abajo, lo cual permite extender la agitación a aquellas regiones segregadas que no sean afectadas con una agitación estable en cuanto a la posición de losa hélice en el estanque, otro mecanismo utilizado es la contrarotación (Nomura y col., 1997). Este tipo de soluciones se aplica generalmente en mezclados que no sean de alta turbulencia, que es lo que corresponde al caso de un estanque de alimentación. La presencia de grasas y aceites se vincula a la aparición de bacterias filamentosas; se ha detectado que aquellos influentes que poseen una alta concentración de grasas y aceites provocan la aparición de espumas en la fase biológica de las plantas de tratamiento (Greenfield y col., 1985). La principal característica de éstas, aparte de su estabilidad, es que contienen una alta concentración de sólidos biológicos, tal que las especies presentes predominantes son microorganismos filamentosos (Goddard, 1987). Estas espumas flotan tanto en el tanque de aireación como en el clarificador y por tanto se pueden retirar con un sistema de barrido. Balances de materia: Determinación de la biodegradabilidad A partir del cálculo de balance de materia se obtienen los niveles de biodegradabilidad del influente que se alimenta al sistema, se va a tener que: Para el estanque de aireación: dM1/dt = F1·C1 - F2·C2 - rA·V + F4·C4 Para el estanque de sedimentación secundaria: dM2/dt = F2·C2 - F3·C3 - F4·C4- F6·C6 Es pertinente precisar que, F6 = 0 M1: corresponde al aceite acumulado en el estanque aireador M2: corresponde al aceite acumulado en el estanque sedimentador V: volumen del reactor rA: velocidad de desaparición del aceite vegetal

El balance para el sistema en su totalidad es: dM1/dt + dM2/dt = F1·C1 + F3·C3 - rA·V De esta expresión se tiene que rA·V, que corresponde al aceite vegetal que desaparece por unidad de tiempo, que es en definitiva el aceite netamente biodegradado por los microorganismos, tal que: rA·V = F1·C1 - F3·C3 -dM1/dt - dM2/dt Como ya se ha planteado parte importante del aceite flota y por lo tanto no se biodegrada y pasa directamente al estanque de sedimentación secundaria, en el cual se va acumulando, la aplicación del balance de materia por razones de factibilidad técnica se debe realizar en forma integral y no derivativa, ya que así se considera y a la vez se puede medir este efecto de acumulación, el cual es muy importante para medir el nivel de biodegradabilidad correspondiente al influente que contiene aceite. Al realizar el balance de materia en forma integral para un determinado periodo de tiempo se tiene que: M1 + M2 = F1·C1·Dt - F3·C3·Dt - rA·Dt Donde Dt: período de tiempo determinado, correspondiente a un día. luego si se utiliza un subíndice para caracterizar el día correspondiente, se tiene que: Para día 1: M11 + M21 = F11·C11·Dt - F31·C31·Dt -V·rA·Dt Para día 2: M12 + M22 = F12·C12·dt - F32·C32·Dt - rA·V·Dt Para el día n: M1n + M2n = F1n·C1n·Dt - F3n·C3n·Dt - rA·V·Dt

Luego el balance de masa para una cantidad determinada de días de operación S ( M1i + M2i) = F1·Dt·S ( C1i) - F3i·Dt·S(C3i) - rA·V·Dt por lo tanto el aceite biodegradado en un periodo de días determinado es: F1·Dt·S ( C1i) - F3i·Dt·S (C3i) - S ( M1i + M2i) = rA·V·Dt

Luego la biodegradabilidad es: D = rA·V·Dt / F1·Dt·S (C1i) ={F1·Dt·S ( C1i) - F3i·Dt·S (C3i) - S ( M1i + M2i)}/ F1·Dt·S (C1i)

Protocolo Experimental del balance de materia de la planta de fangos activos En este protocolo se define un método experimental que permita llevar a cabo un balance de materia exhaustivo y preciso de grasa y aceites. A partir del diagrama del proceso se definen las corrientes de entrada y salida que se medirán tanto en caudal como en concentración.

F1, C1

F2, C2 F3, C3

C5

C6

Fig. 1. Diagrama de proceso de planta de fangos activos.

F1, C1: flujo y concentración de grasas y aceites de alimentación F2, C2: flujo y concentración de grasas y aceites que sale del tanque de aireación F3, C3: Flujo y concentración de grasas y aceite del efluente depurado F4, C4: Flujo y concentración de grasa y aceite en el caudal de recirculación M5: Masa de grasas y aceites en la parte superior del tanque de sedimentación M6: Masa de grasas y aceites en el fondo del tanque de sedimentación

El flujo de alimentación y la concentración de grasas y aceites (F1, C1) de éste es conocida, y se fija de acuerdo a las condiciones experimentales. F2, C2 el flujo se determina de acuerdo a las condiciones del experimento y en lo que respecta a la concentración C2, ésta se determina por el método gravimétrico de Soxhlet, en todo caso no es relevante para el balance da materia. F3, C3: Este flujo es igual al flujo de entrada y por tanto está dado por las condiciones predeterminadas para el experimento, la concentración C3 se obtiene por el método de Soxhlet. F4, C4: Este flujo se determina a priori ya que se establece una relación entre el flujo de alimentación y éste, y la concentración se obtiene a través del método Soxhlet, no se realizan estas determinaciones ya que no son de interés para el balance de materia.

M5: En este caso mas que la determinación de la concentración de grasas y aceites se debe estimar la masa de ésta acumulada en un período de tiempo determinado, para lo cual es necesario retirar las grasas y aceites sobrenadantes, secarlas y pesar. Esto se puede realizar llevando a cabo un vaciado del tanque de sedimentación secundario a un tanque auxiliar y recoger la parte correspondiente de aceite en un vaso, al cual se le agregue hexano con el objeto de separar las grasas del agua, posterior a esto realizar la evaporación correspondiente del disolvente y calcular la masa de aceite acumulado en el período de tiempo en cuestión. M6 : determinación por Soxhlet. Otra medición importante es la concentración de aceite en el licor de mezcla, es decir la cantidad de aceite que poseen los lodos, esta determinación se puede realizar con el uso del método Soxhlet.

4.1 Descripción de los equipos utilizados a.1. Equipo continuo Para esto se ha utilizado un equipo denominado BIOCONTROL, modelo MARK 2. Este equipo experimental consta esencialmente de las siguientes partes: •

La Unidad de Control. Está constituida por un interruptor principal, una bombona de aire, completada con un medidor de flujo, una tasa de regulación de flujos del sistema, ON-OFF; Así como una bomba de alimentación de las aguas residuales que serán purificados, complementada con un sistema de regulación de las tasas de flujo, un temporizador para operaciones intermitentes, interruptor ON-OFF y una bomba para reciclar los lodos del tanque de sedimentación al tanque aireador.

•

Tanque aireador: Consiste en un cilindro transparente de plexiglas con una altura de 38 cm y un diámetro de 20 cm, el cual posee salidas a varias alturas que están asociados a distintos volúmenes que son 6,7,8 y 9 litros. Se tienen dos entradas separadas, por una parte, los lodos de recirculación son alimentados por la parte superior y el influente a tratar por la parte inferior. Además se cuenta con dos difusores cerámicos que están colocados en el fondo, de manera tal que dispersen el aire en burbujas muy pequeñas (G. Vittadini, 1991).

•

El Tanque de Sedimentación: Consiste en un cilindro transparente de plexiglas tal que la parte más baja de éste tiene la forma de un cono con el objeto de facilitar la sedimentación y espesamiento de los lodos.

Descripción de los componentes del equipo que muestra la figura 2: Descripción A: Bomba de alimentación B: Bomba de recirculación C: Tanque de alimentación D: Tanque de aireación E: Tanque de sedimentación F: Tanque de recogida del efluente G: Bloque de oxigenación H: Medidor de flujo de aire

Tubos de Conexión 1: tubo de silicona 2: tubo transparente de caucho 3: = 4: = 5: = 6: = 7: = 8: =

Cantidad 2 1 1 1 1 1 1 1

Diagrama del equipo

Fig.2. Diagrama del equipo experimental

4.1.2.Metodología Experimental a. Preparación de la alimentación El sistema de tratamiento se alimentó con un agua residual sintética preparada en el laboratorio de acuerdo a las características típicas de un agua residual urbana fuerte ( Metcalf & Eddy),que en teoría recibe aporte de aguas industriales, las que poseen una DBO aproximada de 400 mg/l, con las correspondientes proporciones de nitrógeno y fósforo, que están dadas por la relación DBO:N:P = 100:5:1. Por cada litro de agua, se agregaron 400 mg de sacarosa, 20 mg de hidrógeno fosfato de potasio y 100 mg de cloruro de amonio aproximadamente, progresivamente se aumentó la cantidad de grasa o aceite necesaria de acuerdo a la concentración de ésta, previamente definida, que iba a contener el influente. La alimentación se preparaba diariamente y se incrementaba el nitrógeno y fósforo en concordancia con el aporte orgánico proveniente de las grasas y aceites. b. Modos de operación El agua residual sintética era preparada diariamente, la que era depositada en un estanque de acumulación de 50 litros aproximadamente, en el que se ha instalado un agitador que cumple la función de dispersar el aceite o grasa. A través de una bomba peristáltica, operada desde la unidad de control, impulsa la alimentación al tanque de aireación. La alimentación de oxígeno y el caudal de recirculación se controlan desde la unidad de control. El efluente del proceso es recogido en un tanque de 30 litros de volumen, de donde se retiran las muestras para los análisis que se le realizan a éste.

Parámetros físico-químicos y métodos analíticos •

Demanda Química de Oxígeno (DQO)

Se utilizó el método del dicromato de potasio, la DQO se ha determinado utilizando un método que es una variación del método normalizado (Huertas J., 1984), pero que mantiene el fundamento del método normalizado. Presenta la ventaja que usa una cantidad de muestra y reactivos mucho menor. Se oxida la muestra químicamente a través de la acción del dicromato de potasio a una temperatura de 150ºC, durante dos horas. Se utiliza sulfato de plata como catalizador y sulfato de mercurio para evitar las posibles interferencias de cloruro. Posteriormente se lleva a cabo la determinación por espectrofotometría a 600 nm. •

Sólidos Suspendidos Totales (SST), Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV)

Los SST se determinan por filtración de un volumen de muestra conocido sobre filtros de fibra de vidrio WHATMAN, de 4.7 cm GF/C y posteriormente secados a 103-105ºC. La diferencia de peso de los filtros antes y después de la filtración permite calcular el contenido en SST (método 209C, Standard methods). En cuanto a los SSV, se determinan por la pérdida de peso después de la calcinación a 550 ºC ( método 208E, Standard Methods). •

Grasas y Aceites

En la determinación de Grasas y aceites se miden cualitativamente grupos de sustancias con características similares, sobre la base de su común solubilidad en un disolvente adecuado. Ensayo del método Gravimétrico/Soxhlet (Standard Methods 14 th Edition Method 213E) •

Indice Volumétrico de Lodos ( IVL )

Standard Methods 14 th Edition Method 213E

Biodegradación en sistema de fangos activos, a escala de laboratorio En esta experiencia se realiza previamente la mezcla de agua y aceite en el tanque de alimentación, para esto se realiza una agitación de tipo mecánica, parte del aceite agregado queda acumulado en éste, por lo que es pertinente estimar esta fracción del aceite que no ingresa al tanque de aireación. La estimación de la biodegradabilidad se lleva a cabo considerando como base del cálculo, el aceite que ingresa al estanque de aireación, que corresponde al aceite que en definitiva es sometido a un proceso de tratamiento biológico por fangos activos.

Fig. 3. Fotografía de aceite retenida en estanque de alimentación

La presente experiencia se trata de un influente que contiene sacarosa y aceite girasol, al igual que en experiencias previas se mantiene constante la cantidad de sacarosa y se va aumentando gradualmente la correspondiente al aceite girasol. En este caso la concentración inicial de la biomasa presente en el reactor aeróbico, es de 7500 mg/l.

Resultados del Balance de materia: En tabla 1 se expone los resultados empíricos del balance de materia correspondiente a la experiencia ya descrita. Tabla 1. Balance de materia de F.A. con agitación y aumento de la biomasa inicial Periodo de Masa de Masa de operación aceite aceite que incluye acumulada alimentada balance (g) (g) 1a8 4 24 9 a 15 13,5 48 16 a 21 38 94

Masa de Masa de aceite aceite en el retenido efluente (g) (g) 2 4,9 5 6 9 5,5

Masa de Eficiencia de aceite Biodegrabiodegradada dación (g) (%) 13,1