XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental

I-188 - COMPORTAMIENTO DE LA D.B.O., NITROGENO Y FOSFORO EN UN SISTEMA DE REACTORES DE BIOMASA SUSPENDIDA (ANAERÓBICO Y ANÓXICO) Y BIOMASA ADHERIDA AIREADA (BIODISCOS) DISEÑADOS A ESCALA LABORATORIO Rafael Dutant Semprum(1) Ingeniería Civil Istituto Tecnico de Estudios Superiores Monterrey Mexico. Ingeniería Civil Por Reválida Universidad de Carabobo Venezuela. Maestría en Ingeniería Ambiental Instituto Técnico de Estudios Superiores Monterrey Mexico.

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RESUMEN El trabajo realizado tuvo por finalidad estudiar el comportamiento de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), Demanda Química de Oxígeno (DQO), Nitrógeno (N), Fósforo (P) y Sólidos Suspendidos (SS) en un sistema conformado por reactores de biomasa suspendida y biomasa adherida, diseñadas a escala piloto. Los reactores que se utilizaron fueron anóxicos y anaeróbicos como reactores de biomasa suspendida, y biodiscos como reactores de biomasa adherida. Para el logro de los objetivos se midieron las cargas orgánicas, la cantidad de nitrógeno, fósforo y sólidos suspendidos a la entrada y salida de cada reactor, a fin de determinar las eficiencia de remoción de cada uno de los reactores bajo estudio. El sistema bajo estudio básicamente estuvo conformado por dos tanques de almacenamiento de agua a tratar, una bomba dosificadora, un reactor anaeróbico con agitación mecánica, un reactor anóxico con difusores de aire y un disco biológico rotativo. La metodología aplicada consistió fundamentalmente en el montaje y puesta en marcha del sistema de tratamiento. Este segunda etapa las bacterias fueron sembradas en los reactores, con el fin de que se produjera su adaptabilidad y/o estabilización y así poder efectuar la biodegradación de la materia orgánica contaminante. Entre los principales resultados obtenidos se tiene las eficiencias de remoción de DBO que osciló entre 98% y 99%, mientras que para la DQO se obtuvieron valores entre 86 y 93%, por otra para el nitrógeno se logró una remoción entre 90 y 100%, mientras que el fósforo se redujo entre el 48 y 65%. Dentro de las conclusiones mas resaltantes se tiene que: los valores obtenidos de DBO, DQO, Nitrógeno y Sólidos suspendidos a la salida del sistema, se encuentran por debajo de los establecidos en la Gaceta Oficial Vigente; los resultados obtenidos en el reactor a escala piloto cumplen con el objetivo propuesto y responde a las necesidades de los tratamientos biológicos aeróbicos, anaeróbicos y anóxicos. PALABRAS-CLAVES: Tratamientos Biológicos, Reactor Anaeróbico, Reactor Anóxico, Biodiscos, Reducción de Contaminantes.

INTRODUCCIÓN En los tiempos modernos los problemas relacionados con la disposición de las aguas residuales provenientes del uso domestico, comercial e industrial han demandado especial atención durante las últimas décadas, es por ello que se han venido estudiando y tratando de resolver estos problemas con gran dedicación y tecnología. Los tratamientos de aguas residuales que se desarrollan, persiguen que los líquidos reciban un tratamiento antes de ser vertidos a los cuerpos receptores, con el propósito de modificar sus condiciones físicas, químicas y microbiológicas para evitar la contaminación de los mismos. Este es el motivo principal que impulsa la realización de este trabajo de investigación, basado en el estudio del comportamiento de algunos parámetros contaminantes de las aguas en un sistema de reactores a escala piloto que operan bajo condiciones anaeróbicas, anóxicas y aeróbicas.

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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental DISEÑO Y DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS EN EL SISTEMA El sistema utilizado consiste básicamente en dos tanques de almacenamiento del agua a tratar, una bomba dosificadora, un reactor anaeróbico, un reactor anóxico, un biodisco y una unidad controladora de caudal. Las características de cada uno de estos elementos se describen a continuación: Tanques de Almacemaniento. Se utilizaron 2 tanques de almacenamiento del agua a tratar, de material plástico, cada uno de 200 litros de capacidad, ambos tanques se encontraban interconectados por medio de un Air-Lift conectado a una bomba de aire. Bomba Dosificadora. Se utilizó una bomba de diafragma marca Advance modelo A 48-A, de 0,004 hp para transportar el fluido desde el tanque de almacenamiento hasta el reactor anaeróbico. Dicha bomba poseía una válvula tipo check en la succión para evitar que esta perdiera la ceba. Las conexiones se realizaron por medio de mangueras plásticas flexibles transparentes de 0,47cm y 0,97 cm de diámetro. Reactor Anaeróbico. El reactor anaeróbico esta conformado básicamente de un tanque y un agitador mecánico. El tanque se construyó de plástico transparente (Acrílico) de 5mm de espesor, de forma rectangular con un volumen útil de 96 litros. Dicho tanque posee en su interior una unidad disipadora de energía diseñada con la finalidad de evita que tanto el agua a tratar como el lodo recirculado entren al reactor de forma brusca, evitando así la posibilidad de adicionar oxígeno al reactor. Adicionalmente, el reactor posee 4 rompe vórtices que sirve para eliminar los vórtices generados por la agitación y así evitar la introducción de aire a la mezcla. Por otro lado, el agitador mecánico posee un impulsor de 16cm diámetro y 4 cm de altura, formado por dos láminas cruzadas a 90º, soldadas al eje de ½”. El impulso gira a una velocidad de 113 r.p.m. Reactor Anóxico. El reactor anóxico es de forma rectangular con una media tolva de 20 cm de altura en la parte inferior de la misma. El ancho del reactor es de 40 cm, la altura total es de 60 cm y un espesor de 10 cm. En esta unidad la agitación necesaria para que los flóculos realicen las reacciones biológicas efectivamente. En este caso se realizó por medio de la inyección de grandes burbujas de aire en el fondo del reactor para así promover la agitación del lodo. Contactor Biológico Rotativo (RBC). El biodisco esta construido con 20 placas de polietileno con 46,5 m² de área superficial para el crecimiento biológico, este equipo fue dividido en 4 etapas, la primera con 8 placas y 4 para cada una de las etapas restantes. Las placas poseen espacios que dejan pasar el flujo de agua residual para el crecimiento biológico adecuado. La configuración de estos espacios son tales que permiten el paso de aguas residuales y aire sobre todas las superficies biológicas activas. Las placas de los biodiscos, se encuentran sostenidas por medio de un eje central de acero macizo de sección cuadrada, redondeados en ambos extremos para ser soportados por las chumaceras. Las placas del biodisco tiene un diámetro de 90 cm, con un largo exterior de 115 cm, la primera etapa tiene un área superficial de 18,56 m² y las tres restantes poseen un área de 9,28 m². La potencia instalada de esta unidad es de 0,20 hp, con una velocidad de rotación de 3,30 r.p.m. Sedimentador Secundario. El sedimentador secundario se construyó con láminas de plástico transparentes de 6mm de espesor, con un volumen total de 15 m³. Unidad Controladora de Caudal. La unidad controladora de caudal esta compuesta por una caja de 20 x 20 cm en acrílico de 3mm de espesor con una capacidad de 8 litros, en la parte inferior de esta se encuentra una válvula de ½” que se encarga de controlar el caudal de salida de la unidad. Esta unidad fue diseñada para regular el caudal del retorno de los lodos.

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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental OPERACIÓN DEL SISTEMA El sistema bajo estudio operó por 5 meses seguidos si observarse fallas significativas en los equipos. La alimentación del agua residual al sistema fue una solución sintética estándar de concentración constante de DBO, DQO, nitrógeno y fósforo. La concentración de la solución patrón fue basada en los datos promedios de las características típicas del agua residual doméstica bruta según el standard methods for examination of water and wastewater. Esta solución poseía las siguientes características: 171 mg/l DBO5,20 : DQO : 487 mg/l Fósforo Total : 46,54 mg/l Nitrógeno total Kjeldahl : 30,86 mg/l Aclimatación del sistema. En el biodisco la aclimatación fue realizada llenado esta unidad con agua blanca, dejándose airear la misma por un período de 3 días consecutivos, luego se adicionaron de forma manual residuos de aguas servidas, solución de glucosa, así como también 300 litros de lodos extraídos de un digestor de una planta de tratamiento de aguas residuales en funcionamiento. El reactor anaeróbico se aclimató utilizando 49 litros del mismo lodo utilizado en los biodiscos y 20 litros de lodos extraídos de un reactor anaeróbico de una planta también en funcionamiento. La dilución del lodo se realizó agregando al reactor 5 litros de agua y 5 litros de solución glucosa. La dosificación de la solución durante los primeros 7 días se realizó de la siguiente manera: 5 litros los primeros 2 días, y 2 litros durante los 5 días siguientes. A partir del 8vo día y hasta el 10mo día se purgaron 5 litros de lodos por día y se añadieron 5 litros de solución para mantener el volumen en el reactor constante. Una vez aclimatada la masa microbiana en ambos reactores y considerando una condición de operación estable se procedió a alimentar el sistema continuamente con el agua residual bajo consideración a una rata de flujo preestablecida. Muetreo. El muestreo se realizó a la entrada del sistema y en el sobrenadante de cada reactor, con la finalidad de determinar la DBO, DQO, Nitrógeno y Fósforo. Para la determinación del oxígeno disuelto las muestras fueron extraídas directamente del reactor y dejadas sedimentar por aproximadamente 15 minutos. Métodos de Ensayo. Los métodos de ensayos utilizados para la determinación de cada uno de los parámetros bajo consideración fueron realizados según el Stardard method for the examination of water and wastewater.

RESULTADOS EXPERIMENTALES Durante el funcionamiento de la planta a escala piloto se obtuvieron los siguientes resultado trabajando con dos caudales diferentes: Gráfico 1: Resumen del comportamiento de la DBO5,20 para diferentes caudales. DBO5,20 (mg/l) Promedio DBO Rango Eficiencia Caudal * Entrada Sedimentador de remoción permisible R. R. Q (l/d) R.B.C. (%) (mg/l) Secundario (mg/l) Anaeróbico Anóxico 130

24

23

5

3

98

60

7

4

2

1

99

60

171 80

* Gaceta Oficial extraordinaria Nº 5.305 Decreto 3.219 para descargas en cuerpos de aguas

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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental Gráfico 1: Resumen del comportamiento de la DQO para diferentes caudales. DBO5,20 (mg/l) Promedio DBO Rango Eficiencia Caudal * Entrada Sedimentador de remoción permisible R. R. Q (l/d) R.B.C. (%) (mg/l) Secundario (mg/l) Anaeróbico Anóxico 130

220

156

127

70

86

350

62

58

47

36

93

350

487 80

* Gaceta Oficial extraordinaria Nº 5.305 Decreto 3.219 para descargas en cuerpos de aguas.

Gráfico 1: Resumen del comportamiento del Nitrógeno para diferentes caudales. DBO5,20 (mg/l) Promedio DBO Caudal Eficiencia de Entrada Sedimentador R. R. remoción (%) Q (l/d) (mg/l) Secundario Anaeróbico Anóxico 130

Rango permisible* (mg/l)

8,96

5,6

3,36

90

10

5,6

1,12

0

100

10

30,86 80

* Gaceta Oficial extraordinaria Nº 5.305 Decreto 3.219 para descargas en cuerpos de aguas.

Gráfico 1: Resumen del comportamiento del Fósforo para diferentes caudales. DBO5,20 (mg/l) Promedio DBO Caudal Eficiencia de Entrada Sedimentador R. R. remoción (%) Q (l/d) (mg/l) Secundario Anaeróbico Anóxico 130

Rango permisible* (mg/l)

52,7

50,06

24,4

48

1

49,6

51,6

16,5

65

1

46,54 80

* Gaceta Oficial extraordinaria Nº 5.305 Decreto 3.219 para descargas en cuerpos de aguas.

CONCLUSIONES Con base al trabajo realizado se puede concluir lo siguiente: El diseño a escala laboratorio es funcional y eficaz en lo que se refiere al método empleado (biodiscos) y al tipo de tratamiento (biopelícula fija y suspendida). Los resultados obtenidos en el reactor biológico a escala, cumplen con el objetivo propuesto y responden a las necesidades de los tratamientos biológicos aeróbicos, anaerobios y anóxicos para degradar el influente diseñado que simula las características de un residual de origen doméstico. Los resultados obtenidos para la Demanda Bioquímica de Oxígeno (D.B.O 5,20), reflejan una alta eficiencia de remoción del sistema: 98% para un Q= 130 l/día y 99% para un Q= 30 l/día, lo que permite cumplir con los límites establecidos por la Norma Venezolana que regula la materia. Los resultados obtenidos para la Demanda Química de Oxígeno (D.Q.O), demuestran una remoción del sistema un poco menor que para el parámetro anterior: 86% para un Q= 130 l/día y 93% para un Q= 30 l/día, sin embargo permiten cumplir con los límites establecidos por la Norma Venezolana que regula la materia.

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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental La planta a escala presentó resultados muy favorables en la remoción de nutrientes (Nitrógeno y Fósforo), encontrándose valores de eficiencia de remoción de 90% y 100% para el Nitrógeno y de 48% y 65% para el Fósforo. En el caso de este último parámetro aún cuando la eficiencia de remoción de la planta se considera regularmente satisfactoria, los valores del mismo a la salida del tratamiento no cumplieron con los límites establecidos por la Norma Venezolana que regula la materia. Los reactores de biomasa adherida (biodiscos) y de biomasa suspendida son recomendables para cualquier planta de tratamiento de aguas residuales con cargas orgánicas biodegradables.

REFERÉNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

DAUTANT, R. Tratamiento Biológico de Aguas Residuales. Valencia. 1990. Universidad de Carabobo Venezuela 1992. GONZALEZ, M. Diseño de Biodiscos. Instituto de Ingeniería. UNAM. México. 1998 NAVA, J. M. A. Construcción y puesta en funcionamiento de un reactor de biopelícula sumergida. Escuela de ingeniería civil. Universidad de carabobo. Venezuela 1999. MIJARES, R. Tratamiento de aguas residuales. McGram – Hill. España 1995 GONZALEZ, M. Eliminación biológica de Fosfatos: Microbiología y Bioquímica. Simposio Internacional Sobre Control y Polución de Aguas por Procesos Biológicos. Universidad de Carabobo. Venezuela 1996. GONZALEZ, M. Nitrificación y Desnitrificación. Simposio Internacional Sobre Control y Polución de Aguas por Procesos Biológicos. Universidad de Carabobo. Venezuela 1996. MILANO, N. Estudio a escala piloto en una unidad de Discos Rotativos Biológicos. Escuela de Ingeniería Civil. Universidad de Carabobo. Venezuela 1996.

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