REDUCCIÓN SIMULTANEA DE DBO(C), NH 4 +, Y DESNITRIFICACIÓN EN UN REACTOR DE BIOPELÍCULA:

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1 REDUCCIÓN SIMULTANEA DE DBO(C), NH 4 +, Y DESNITRIFICACIÓN EN UN REACTOR DE BIOPELÍCULA: Marcelo J. Ambrosio Marcos A. Zar N 1663 Pto. Madryn - Chubut ambrosio@cpsarg.com Iñaki Tejero Monzón Ada. De los Castros s/n Santander Cantabria - España tejeroi@ccaix3.unican.es Palabras Claves: Biopelícula, lecho aireado, biofiltro, DBO(c), nitrificación

2 RESUMEN +, Se estudió la eficiencia de eliminación de DQO, NH 4 nitrificación y desnitrificación de un Reactor Biológico de Lecho Aireado Sumergido (BLASII), alimentado con Agua Residual Sintética (ARS) y operando en estado estacionario, con baja Carga Orgánica Alimentada (COA g DQO/m 2 día), y Carga de Nitrógeno Alimentado (CNA N-NH g/m 2 día). En condiciones aeróbicas - anóxicas en el seno de la fase líquida, la Carga Orgánica Eliminada (COE) fue del 96% al 98%, la Carga de Nitrógeno Eliminada (CNE) (N-NH + 4 ) de 88% al 99%, la nitrificación fue mayor al 90% y la desnitrificación de 40% a 72%. En condiciones aeróbicas - anóxicas - anaerobias la COE fue de 85 al 90% de la COA, la CNE de 15% al 34%, la nitrificación se redujo a menos de 7.5% y no se detectó desnitrificación. GENERALIDADES En los Reactores de Biopelícula fija, la biomasa se encuentra adherida a la superficie del soporte. Como ventaja presentan: bajo mantenimiento, rápida puesta en marcha, tolerancia a operar con cargas variables y discontinuas, y reducida producción de sólidos. Sus inconvenientes son: sensibilidad frente a sustancias tóxicas, desprendimiento masivo, y atascamiento del lecho Un Reactor Aireado de Biopelícula fija (BLAS II), fue desarrollado por el Grupo de Biopelícula de la E.T.S de I.C.C.Y.P. de la Universidad de Cantabria, con el objetivo de maximizar la superficie activa, y obtener un proceso con baja producción de fangos, con la posibilidad de operar sin sedimentación secundaria. OBJETIVOS Estudiar la operación del Reactor Aireado de Biopelícula Fija operando con Agua Residual Sintética (ARS), y caracterizarlo Correlacionar el rendimiento de reducción de carga orgánica y nitrogenada, nitrificación y desnitrificación con las condiciones de operación. METODOLOGÍA Descripción del reactor Las paredes del reactor fueron construidas con metacrilato, con una estructura de acero inoxidable sobre la que se fija el soporte. El volumen de reacción es de 31.2 l, el área específica del soporte 68 m 2 /m 3, y la superficie soporte 2.12 m 2 (estructura reticular de polietileno). Agua residual sintética (A.R.S) En las experimentaciones el sistema se alimentó con agua residual sintética, para lograr la mayor uniformidad (concentración y composición), permitiendo realizar los ensayos con carga orgánica alimentada (C.O.A) constante (Fig. N 1). Las ventajas de trabajar con ARS son: facilidad de preparación y suministro simplificación del análisis de los procesos de depuración - eliminación de materia orgánica carbonosa y nitrógeno (al conocer la composición de la fuente de aporte)

3 simplificación del balance de sólidos (que se limita en este caso al fango generado en el proceso). El agua madre se preparó con los siguientes compuestos: glucosa (C 6 H 12 O 6 ), cloruro de amonio (NH 4 Cl), solución reguladora de Na 2 HPO 4 y KH 2 PO 4, CaCl 2, y oligoelementos a partir de sales: MgSO 4 (anhidro), MnSO 4. H 2 O, FeCl 3. 6 H 2 O. Parámetros del proceso Se controlaron los siguientes parámetros y variables de operación Caudal Tiempo de retención hidráulica Tasa de Recirculación Carga hidráulica : C.H. Carga orgánica afluente : C.O.A. (g DQO - /m 2 d ) Carga Nitrógeno afluente : C.N.A. (g N- NH 4 /m 2 d ) Pérdida de carga en el reactor Oxígeno aportado. Carga orgánica eliminada : C.O.E (g DQO - /m 2 d ) Carga Nitrógeno eliminada : C.N.E (g N- NH 4 /m 2 d ) Determinaciones Analíticas Para cada una de las corrientes de entrada y salida del reactor se determinó el valor de los parámetros físicos y químicos (t C, OD, Alcalinidad, ph, Potencial redox, NH 4 +,NO 3 -, NO 2 -, SST y DQO), de acuerdo a las técnicas del Standard Methods de la A.W..W.A. ENSAYOS Estrategia de operación. El sistema se operó en condiciones de estado estacionario, que se verificó cuando los parámetros físico - químicos dentro del reactor, pérdida de carga, se mantuvieron aproximadamente constantes. De acuerdo al régimen de flujo esperable en el reactor (Reactor Flujo Pistón), y con el objeto de evitar sobrecargas en los niveles superiores del mismo, se trabajó con una tasa de recirculación proporcional a la concentración del A.R.S., respectivamente %R 200, 400 y 800 para S ARS de 100, 200 y 400 mg DQO/l. La recirculación se tomó del flujo de salida del decantador lamelar (SD) (Fig. N 1), con el objetivo de que los valores de SFE se encontraran entre 35 y 45 mgdqo/l. La pérdida de carga dentro del reactor (en condiciones de operación constante), se utilizó como índice del aumento o disminución de la biomasa dentro del sistema. Condiciones de operación del reactor Se operó en estado estacionario, la concentración de DQO en la alimentación (S DQO FE ) fue 100mg/l, 200mg/l, 400 mg/l y los %R 200, 400 y 800% respectivamente.

4 Ensayos N 1, 2, 3 y 4: aireación continua (condiciones aeróbicas - anóxicas en el seno de la fase líquida). El OD en el ingreso, zona central y egreso del reactor fue: OD FE = 7.2 mg/l, OD 1/2R = 3 mg/l y OD FS = 7.8 mg/l.. En el ensayo N 4, la concentración de nitrógeno en el agua madre fue S NH4 620 mgn-nh 4 + /l. Parámetro \ Ensayo Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Ensayo 4 Carga Orgánica C.O. (g. DQO/m 2 día) Carga volumétrica (kg DQO/m 3 día) Tasa de recirculación %R Carga hidráulica (secc.reacc.) C.H. (m 3 /m 2 h) Agua Madre A.M. Caudal agua madre Q A.M. (l/min.) Concentración de agua madre S A.M. (g.dqo/día) Carga orgánica de agua madre (g.dqo/día) Agua Residual Sintética A.R.S. Caudal agua residual sintética Q A.R.S (l/min) Concentración de ARS S A.R.S. (mg.dqo/l) Caudal afluente al reacto Q 0 (l/min) Aire Caudal medio de aire Q m.aire (l/min.) Tabla N 1 Ensayos N 5 y 6 : aireación intermitente (condiciones aeróbicas - anóxicas - aeróbicas en el seno de la fase líquida).el OD en el ingreso, zona central y egreso del reactor fue: OD FE =6.6 mg/l, OD 1/2R =1.2 mg/l y OD FS =2.7 mg/l. En los ensayos N 4 y 5 se aumentó la concentración de NH + 4 para que la CNA fuera de 2.5gN/m 2 día y 3,2gN/m 2 día, manteniendo constante DQO y el caudal. Parámetro \ Ensayo Ensayo 5 Ensayo 6 Carga Orgánica C.O.A (g. DQO s /m 2 día) Carga volumétrica (kg DQO/m 3 día) Tasa de recirculación %R Concentración de amonio en A.M. S NH4+ (mg N - NH + 4 /l.) Carga hidráulica (secc.reacc.) (m 3 /m 2 h) Agua Madre A.M. Caudal agua madre Q A.M. ( l/min.)

5 Concentración de agua madre S A.M. (mg.dqo/l.) Carga orgánica de agua madre (g.dqo/día) Agua Residual Sintética A.R.S. Caudal agua residual sintética Q A.R.S (l/min.) Concentración de agua resid. sint. S A.R.S. (mg.dqo/l) Caudal afluente al reactor Q0 (l/min.) Aire Caudal medio de aire Qm.aire (l/min.) Caudal instantaneo Qi.aire (l/min.) 3 3 Tiempo de apertura electroválvula ta (seg) Tiempo de cierre de electroválvula tc (seg) Tabla N 2 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Eliminación de Materia orgánica Las cargas que se aplicaron en los ensayos: C.O.A. 16 gdqo/m 2 día y Carga volumétrica de 1.08 kg. DQO/m 3 día, resultaron comparables a las empleadas en Biodiscos (C.O.A. 12 a 24 g DBO s./m 2 día en primera etapa - Tejero et al) y lechos sumergidos (Carga vol. 0.1 a 1 kg. DBO/m 3 día - Iwai S, Kitao T.), y medias o bajas respecto a Biofiltros (Carga vol. 0.1 a 5 kgdbo/m 3 día, Iwai S, Kitao T.) y 4.8 a 6.5 kgdbo/m 3 día - Rogalla 1992). Ensayo Nº DQO mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l F.A.R.S F.E S.R /2 R Fs S.D Tabla N 3 C.O.E. :ensayos Nº 1, 2, 3, y 4 El % de COE resultó entre 96 y 89%, el % de COE ½ entre 68 y 90% indicó subocupación de la capacidad de la segunda mitad del reactor, respecto a la eliminación de materia orgánica carbonosa. Las condiciones de ejecución de los ensayos (Q ARS y S DQO FARS ) fueron distintas, pero dado el % de R con que se operó en cada caso, los valores de S DQO FE fueron similares, por lo que pudieron compararse los valores de COA y COE. Se observó una relación lineal que indicó la capacidad del sistema para eliminar COA mayores, si bien el % de COE disminuyó al aumentar C.O.A. (Fig. N 2 y N 3).

6 C.O.E. :ensayos Nº 5 y 6 En los ensayos con aireación por pulsos, se observó una disminución del %COE (85 y 90) y mayor distribución a lo largo del reactor de la eliminación de C.O. (el % de COE ½, resulta de 35% y 55%). Reducción de la CNA NH 4 +,Nitrificación, y Desnitrificación El coeficiente de nitrificación (CN) y la desnitrificación fueron determinados por balance de masa del nitrógeno, teniendo en cuenta las concentraciones de NH 4 +, NO 3 -, NO 2 - en la entrada y salida y el consumo por síntesis. Ensayo CNE T (g N-NH4/m 2 día) CNE1/2 (g N-NH4/m 2 día) CNA (g N-NH4/m 2 día) Nº Nº Nº Nº Nº Nº Tabla N 4 Ensayos N 1, 2, 3 y 4 :la CNE fue próxima al 100% para valores de C.N.A de 1 a 1.75 g(n- NH 4 + )/m 2 día (0.068 kgn-nh 4 /m 3 día), reduciéndose a 88% para CNA de 2.57 g(n-nh 4 + )/m 2 día (0.218 kgn-nh 4 /m 3 día). Según Tchui M., para biofiltros trabajando en nitrificación la eliminación de N-NH 4 + resulta próxima al 100% para carga volúmicas de (0.6 a 1.5 kgn-nh 4 + /m 3 día). (Fig N 4). Se verificó nitrificación y desnitrificación simultáneas, el coeficiente de nitrificación (CN) varió entre el 90 y 100% y la desnitrificación entre 40 y 72%. (Fig. N 4 y N 5) Ensayos N 5 y 6 :la CNE (gn-nh4+) fue 34% para valores de CNA de 1.46 gn-nh4+/m2día,y se redujo a 15% para CNA de 3.21 gn-nh4+/m2día, estos rendimientos globales incluyen el nitrógeno eliminado por asimilación. El coeficiente de nitrificación (CN) se redujo a menos de 7.5%, y no hubo desnitrificación apreciable. Variación de las concentraciones de NH 4 +, NO 3 - y NO 2 - a lo largo del reactor Variación de la concentración de NH 4 + (S NH4 ) en los ensayos Nº 1, 2, 3, y 4 En estos ensayos la actividad de las bacterias heterótrofas (en procesos de síntesis) y las autótrofas nitrificantes, produjeron la reducción de la concentración de NH 4 + a lo largo del reactor. (Fig. N 4) Variación de la concentración de NH 4 + (S NH4 ) :ensayos Nº 5 y 6 En estos ensayos se observó una reducida elminación de NH 4 +, ya que el desarrollo de las bacterias autótrofas en la biopelícula depende de que la penetración de O 2 sea mayor que la del sustrato carbonoso. Para cinéticas de orden cero, la relación de la penetración de dos componentes que reaccionan (βox/βred ), es función directa del producto de las concentraciones y difusividades e inversa de las constantes cinéticas. Según Harremoës P. (1995) la M.O. es el reactivo limitante cuando S DBO / SO2 < 5. La reducción del suministro de oxígeno, y su consumo en la oxidación de la M.O carbonosa, provoca la reducción de la concentración de OD (S O2 ). Variación de la concentración de NO 3 - (S NO3- ) en los ensayos Nº 1, 2, 3, y 4 En los ensayos en que se produjo nitrificación se observó un aumento de concentración de NO 3 - entre FE y FS, en los Nº1, 2 y 4 las líneas fueron crecientes en todo el rango, en el Nº3 fue creciente hasta 1/2 R y luego decreciente (Fig. 7).

7 - Variación de la concentración de NO 3 (S NO3- ) en los ensayos Nº 5 y 6 En el Nº 5 se produjo un reducido aumento de la concentración de NO - 3 entre FE y FS (de acuerdo - con el CN de 7.5% resultante), en el Nº 6 la variación neta de NO 3 fue ligeramente negativa, pero se observó en ambos casos un incremento hacia la zona central del reactor (Fig. N 7). - Variación de la concentración de NO 2 (S NO2- ) en los ensayos Nº1 y 2, y en los N 4 y N 5 En los N 1 y N 2, se produjo nitrificación por lo que, la concentración de NO - 2 se incrementó en la - zona central, mientras que en los N 5 y N 6 la concentración de NO 2 se mantuvo reducida a lo largo del reactor, con una disminución desde FE a 1/2 R (Fig. N 8). Variables Fisicoquímicas ph Durante los ensayos Nº 1, 2, 3 y 4, se observó una disminución del ph desde SR hasta ½ R (procesos de oxidación de M.O. carbonosa, y nitrificación), a partir del punto central del reactor y hasta FS en los ensayos Nº1, 3 y 4 se observó un aumento de ph (Fig. N 9). En los ensayos Nº 5 y 6, no se detectó variación de ph, al no producirse porcentajes importantes de nitrificación, sino eliminación de M.O carbonosa. Oxígeno disuelto En los ensayos Nº 1, 2, 3 y 4, tanto la eliminación de M.O. carbonosa como el NH 4 +, se produjo fundamentalmente en la primera mitad del reactor. El valor de S OD en ½ R varió entre 2.9 a 4.2 mg/l, recuperándose a la salida (FS) a valores de 6.6 a 8.8 mg/l, por lo que al no contarse con otros puntos de muestreo intermedio, puede suponerse que en un sector importante del reactor valor de S OD > 5mg/l (indicado por Canziani R. como mínimo para nitrificación) (Fig. N 11). En los ensayos ensayos Nº 5 y 6, la reducción del suministro de oxígeno provocó que la eliminación de M.O. carbonosa se desarrollara en mayor proporción en la segunda mitad del reactor. En el punto medio (1/2 R) el valor de S OD llegó a valores de 1.1 a 1.4 mg/l, no recuperándose a la salida del reactor el valor de S OD de la entrada (FE). Alcalinidad : En los ensayos Nº 1, 2, 3, y 4, en los que hubo nitrificación, las reacciones involucradas implicaron la disminución de alcalinidad (1eq.Alcal./mol N-NH4+elim.). Efectuando el cálculo de consumo de alcalinidad a partir de la eliminación de N-NH4+en los ensayos Nº 1, 2 y 3 se obtuvo un promedio de 10 mg Ca CO3/l y el promedio de reducción de alcalinidad resultó 9.56 mg CaCO 3 /l. En condiciones microóxicas (ensayos Nº5 y N 6), se produjo un incremento de alcalinidad (Fig. N 11). Producción de sólidos El coeficiente de producción de sólidos global (Y), varió en loa ensayos entre kgsst/kgdqo y 0.12 kgsst/kgdqo e, valores menores que los citados en la bibliografía : 0.18 kgssv/kg DBO (Iwai S. Kitao), 0.35 a 0.44 kgss/kg DQOe (Rogalla F.) y 0.39 a 0.59 kgss/kgdqo.(fang H.H.P). La mayor concentración promedio de sólidos suspendidos en la salida del reactor fue (X FS ) 6 mg/l.

8 CONCLUSIÓN Y RECOMENDACIONES Sistema en condiciones aerobias anóxicas El suministro de oxígeno fue tal que las concentraciones promedio en el ingreso, zona central y de egreso del reactor alcanzaron valores de: OD FE = 7.2 mg/l, OD 1/2R = 3 mg/l y OD FS = 7.8 mg/l respectivamente La carga orgánica (COE) resultó del 96 al 98% de la carga orgánica alimentada (C.O.A), este proceso tuvo lugar en mayor proporción en el primer tramo del reactor (% de COE 1/2R es del 70 a 90%). Estos resultados fueron concordantes con los obtenidos por Fang H.H.P (1993), con reactores aireados de lecho sumergido (95% de eliminación de la COA) y superiores a los obtenidos en RBC 93% para cargas de 7.5 gdbo/m 2 día y 85% para 10gDBO/m 2 día (Autotrol 1978). La eliminación de la carga de nitrógeno (N-NH 4 + ) (C.N.E) fue próxima al 100% para valores de carga de nitrógeno alimentado (C.N.A) de 1 a 1.75 g(n-nh 4 + )/m 2 día, reduciéndose a 88% para (CNA) de 2.57 g(n-nh 4 + )/m 2 día. En el proceso se verificó nitrificación y desnitrificación simultáneas, el coeficiente de nitrificación CN varió entre 90 y 100% y la desnitrificación de 40 a 72%. El fenómeno de nitrificación y desnitrificación simultánea en biopelículas microaeróbicas fue reportado por Watanabe (1995) en RBC operando bajo atmósfera controlada o series de biodiscos aireados-sumergidos. Estos valores resultaron comparables a los indicados por Iida Y. (1984) para desnitrificación 37% a 64% y eliminación de N-NH + 4 (63% a 99.5%), en filtros sumergido con aireación intermitente. Sistema en condiciones aerobias - anóxicas - anaerobias El suministro de oxígeno fue tal que las concentraciones promedio en el ingreso, zona central y de egreso del reactor alcanzaron valores de OD FE = 6.6 mg/l, OD 1/2R = 1.2 mg/l y OD FS = 2.7 mg/l respectivamente La eliminación de la carga orgánica (C.O.E) fue del 85 al 90% de la carga orgánica alimentada (C.O.A), distribuida homogéneamente entre en el primer y segundo tramo del reactor ( % de COE 1/2R es del 35 a 55%). La eliminación de la carga de nitrógeno amoniacal (N-NH 4 + ) (C.N.E) fue 34% para valores de carga de nitrógeno alimentado (CNA) de 1.46 gn-nh 4 + /m 2 día, reduciéndose a 15% para (C.N.A) de 3.21 gn-nh 4 + /m 2 día. Estos rendimientos globales incluyen el nitrógeno eliminado por asimilación. El coeficiente de nitrificación CN se redujo al 0% y 7.5% respectivamente y no hubo desnitrificación apreciable. Producción de sólidos El sistema mostró una reducida producción promedio de sólidos, que varió entre X FS = 1 mg/l a 2.5mg/l durante la operación en condiciones aeróbias-anóxicas y X FS = 3.8 mg/l a 6.36 mg/l en condiciones aerobias-anóxica-anaerobias. Estos resultados indicaron la posibilidad de operar sin sedimentación secundaria Los coeficientes de producción de sólidos Y`(kgSST/kgDQOe) resultaron respectivamente kgsst/kgdqoe y 0.12 kgsst/kgdqoe. El valor de Y fue del orden de los mencionados en la bibliografía: 0.18 kgssv/kg DBO e (Iwai S. y Kitao T.) para filtros fijos sumergidos trabajando con cargas volumétricas de 0.47kg/m 3 ), 0.35 a 0.5 kgss/kg DBO e (Tejero I. et al.), y 0.35 a 0.44 kgss/kg DQOe (Rogalla F. et. al.(1992) para filtros Biocarbone).

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