I DISEÑO DE UN BIORREACTOR ANAERÓBICO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA PRODUCCIÓN DE AGUA POTABLE

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1 I DISEÑO DE UN BIORREACTOR ANAERÓBICO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA PRODUCCIÓN DE AGUA POTABLE Elizabeth Lam Esquenazi Ingeniero Civil en Química, Licenciada en Ciencias de la Ingeniería. Candidata a Doctor en Ciencias de la Ingeniería (Universidad de Concepción). Académica Jornada Completa FOTOGRAFIA y coordinadora del Área del Medio Ambiente del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Católica del Norte (Antofagasta). ha participado en diversos proyectos de NÃO investigación, actualmente es Co- Investigadora del Proyecto: Bioprecipitación de arsénico en DISPONÍVEL aguas de desecho de empresas sanitarias y mineras". Cecilia Demergasso Semenzato (1) Bioquímica. Buenos Aires. Licenciada en Análisis Clínicos y Bioquímica, Candidata a Doctor de la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la UBA. Investigador a cargo de la línea de Microbiología Aplicada de la Universidad Católica del Norte, ha participado en diversos proyectos de investigación, entre ellos destaca el Proyecto del IV Concurso de Proyectos FONDEF de Infraestructura Científico-tecnológica, "Laboratorio de Microbiología Minera". Actualmente es la Directora General del Proyecto " Bioprecipitación de arsénico en aguas de desecho de empresas sanitarias y mineras" VII Concurso Fondef de Proyecto de I&D. Pedro Galleguillos Pérez Bioquímico. Ha participado en calidad de co-investigador en los siguientes proyectos FONDEF: "Laboratorio de microbiología minera" y "Bioprecipitación de arsénico en aguas de desecho de empresas sanitarias y mineras". Lorena Escudero González Químico con mención en Metalurgia Extractiva. Ha participado en calidad de co-investigadora en los siguientes proyectos FONDEF: "Laboratorio de microbiología minera" y "Bioprecipitación de arsénico en aguas de desecho de empresas sanitarias y mineras". Dirección (1) : Hugo Silva Endeiza 841, Depto Antofagasta - Chile - Tel: / cdemerga@socompa.ucn.cl. RESUMEN Actualmente, los tratamientos biológicos han cobrado un gran interés en los procesos de depuración de aguas residuales. Su utilización se fundamenta en el aprovechamiento de la capacidad de microorganismos para degradar, acumular, adsorber, precipitar o volatilizar una gran variedad de contaminantes presentes en aguas o efluentes. Una etapa que juega un importante rol en el desarrollo de estos procesos, es el diseño de los biorreactores o reactores biológicos. A diferencia de lo que ocurre con equipos para procesos de transferencia de masa o de calor, no existe una metodología para el diseño de equipos, dentro de los cuales se desarrolle una reacción o conversión bioquímica, debido principalmente a que el diseño del biorreactor estará regido por el sistema de reacción específico y el tipo de microorganismos que se emplee. En el diseño del biorreactor se tuvo en cuenta, además del tipo de proceso microbiológico, el efecto del flujo, el tiempo de residencia, el ph, la temperatura, la biomasa, la concentración de nutrientes y la velocidad de agitación para que se desarrolle en forma óptima la conversión de los lodos arsenicados, provenientes del proceso de potabilización del agua que se realiza en las plantas localizadas en Antofagasta y Calama (Chile). El reactor corresponde a la clasificación de reactores de contacto anaerobio, el cual presenta numerosas ventajas. PALABRAS-CLAVE: Aguas Residuales, Arsénico, Biorremediación, Biorreactor, Reducción de Sulfatos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 INTRODUCCIÓN La contaminación del agua cobra gran importancia en la necesidad de preservar el medio ambiente, puesto que los contaminantes pueden ser acumulados y transportados en arroyos, ríos, lagos, presas y depósitos subterráneos, afectando directamente la salud del hombre y la vida silvestre. Las fuentes más importantes de contaminación de las aguas superficiales y subterráneas son las aguas residuales industriales y urbanas. Por otra parte, las estrategias de desarrollo de la Región de Antofagasta, Chile, asignan la más alta prioridad a la mejor gestión de los recursos hídricos, a la reducción del arsénico y a los desarrollos biotecnológicos, éstos últimos debido a que permiten transformar las restricciones del medio natural en oportunidades. Los tratamientos de aguas residuales urbanas han sufrido importantes avances tecnológicos en el último tiempo. Investigaciones referidas al efecto de ciertos contaminantes, normas ambientales cada vez más estrictas y factores económicos han impulsado al desarrollo de nuevas tecnologías. Uno de los desafíos es la minimización de los residuos. Los lodos o fangos hidróxidos procedentes de la decantación fisicoquímica de aguas en plantas potabilizadoras son ricos en elementos metálicos con contenidos minoritarios de materia orgánica y una importante cantidad de agua asociada. Sus características dependen de la composición fisicoquímica del agua bruta a potabilizar como del o los reactivos químicos de tratamiento adicionados al agua 1. En las Estaciones de Tratamiento de Agua Potable (ETAPs), el proceso de decantación fisicoquímica se orienta a reducir cuanto se pueda, las materias en suspensión, color y turbidez de un agua natural. Aunque no hay estadísticas publicadas sobre la forma de acometer la gestión de los lodos hidróxido de las ETAPs, la panorámica actual incluye tratamiento del fango y posterior uso o vertido controlado, vertido a redes municipales de alcantarillado y vertido directo a cauces públicos continentales o aguas marinas. En el tratamiento de los lodos hidróxido, la primera operación a realizar es su espesamiento que se lleva a cabo en espesadores de gravedad o bien en espesadores por flotación. El resultado del espesamiento genera un lodo con una concentración entre 2% y 8 % y un efluente claro. Tras los espesadores, el lodo deberá ser sometido a un proceso de deshidratación. Los procesos que se utilizan son de deshidratación mecánica, como los sistemas de centrifugación y filtración (filtros de prensa, filtros bandas o filtración al vacío) capaces de elevar el contenido de sólidos en el residuo a valores situados entre 25 y 30%. El inconveniente de estos métodos es que se sigue vertiendo una cantidad muy importante de humedad que crea un exceso de volumen en el vertido, un aumento de lixiviados y mayores costos de traslado y disposición. La utilización de los procesos de deshidratación mecánica para el tratamiento del lodo proveniente de los sedimentadores depende del volumen y de las características de éste, donde los parámetros determinantes son la cantidad y decantabilidad, la resistencia específica a la filtración y el coeficiente de compresibilidad. Existen sistemas de secado utilizados en procesos industriales cuya adaptación al tratamiento de lodos conlleva una serie de dificultades. El secado de los lodos por calor consiste en el contacto directo o indirecto con gases a mayor temperatura para reducir el contenido de humedad de los mismos a un 10 % como mínimo. El secado directo es apropiado para productos fácilmente disgregables pero se ve con dificultades cuando debe tratar una masa amorfa, muy húmeda y con características plásticas que impiden su disgregación 2. Por otra parte, requieren de supericies de secado amplias en relación al volumen de lodo a secar para facilitar la penetración del calor y el transporte de agua hasta la superficie de secado. Las plantas de tratamiento de Antofagasta y Calama fueron diseñadas como plantas para abatimiento de arsénico y no de turbiedad 3. La dosificación de coagulante utilizada varía entre 26 y 32 ppm de FeCl 3, mayor que las dosis consideradas altas 4 (16 ppm) en plantas diseñadas para la reducción de material particulado de aguas frescas. La concentración de coagulante es mayor también que las usadas en otros puntos de Chile 5. De acuerdo a la ecuación de Slater 6, el tratamiento de las plantas de Antofagasta y Calama debiera producir el doble de masa de lodo en materia seca por unidad de volumen de agua cruda tratada que la generada en otras plantas del país comparadas. Cuando se presenta el fenómeno climático denominado Invierno Altiplánico 7, los parámetros de turbiedad y color del agua cruda se alteran considerablemente. En esas condiciones, para ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 poder asegurar la calidad del agua producida, las dosificaciones de los productos químicos deben incrementarse, llegando a concentraciones de 2 a 3 veces superiores de FeCl 3. En esos casos, aplicando la ecuación de Slater la masa de los lodos aumentaría más de 15 veces por unidad de volumen de agua cruda tratada. El aumento en el volumen de los lodos producidos dificulta su disposición final. Se suma a esto la característica de lodos arsenicados de los residuos. La planta de tratamiento de Calama cuenta con un Sistema de Recuperación y Disposición Final de Lodos Arsenicados 8 que consta de dos estanques de 600 m 3 de capacidad cada uno. El lodo sedimentado en los estanques, se drena hacia la cámara de lodos y desde ahí se dispone hacia los lechos de secado. El lodo sufre en los lechos un proceso de deshidratación debido a la percolación del agua contenida en la pulpa a través del filtro de arena y la evaporación del agua superficial expuesta al aire. El sistema está siendo mejorado para disminuir en alto porcentaje de agua que contiene el drenaje de los lodos del sistema de sedimentación. Por otra parte el Anteproyecto de Reglamento para el Manejo de Lodos No Peligrosos Generados en Plantas de Tratamiento de Aguas considera "Lodos Deshidratados" a aquellos con un porcentaje de humedad igual o inferior al 70%. La característica de los lodos producidos y el volumen de los mismos dificulta la utilización de técnicas de deshidratación mecánica como los sistemas de centrifugación y filtración. La tecnología de tratamiento en desarrollo busca modificar las características de los lodos producidos de manera tal de facilitar la utilización de métodos de deshidratación mecánica que permitan disminuir el volumen de los lodos producidos facilitando por tanto su disposición final. SISTEMA ANAERÓBICO El proceso utilizado se basa en la acción de bacterias reductoras de sulfato (SRB) sobre el lodo hidróxido al que se le adiciona un aceptor de electrones, una fuente de carbono y un aporte de vitaminas. Las bacterias reductoras de sulfato son anaerobias por lo que el reactor que se diseña debe asegurar la reducción de la presencia de oxígeno en el sistema. DISEÑO DEL BIORREACTOR ANAERÓBICO En el diseño y operación del reactor deben ser considerados los factores que condicionan la obtención de un lodo con las características requeridas para el acoplamiento con la fase siguiente del tratamiento y que reuna las condiciones permitidas para su disposición final y de un agua recuperada que pueda ser reincorporada al proceso de potabilización. Los factores que pueden afectar los resultados del proceso son 9, 10 :! Las características del efluente que se alimenta (porcentaje de sólidos, presencia de cloro, etc.).! La cinética de crecimiento bacteriano y de transformación de los lodos.! La composición de la población bacteriana en el biorreactor.! La calidad de la materia orgánica que se añade al proceso. El funcionamiento estable del reactor dependerá de los siguientes factores:! Concentración de los compuestos necesarios para el crecimiento y actividad bacterianas (nutrientes y sustratos).! Mantención de parámetros físico-químicos (temperatura, ph) del medio en rangos relativamente limitados para que la actividad de los microorganismos sea óptima.! Diseño del sistema para que sea capaz de resistir variaciones de las condiciones normales de operación.! Agitación que impida: a) La formación de zonas de lodos sin tratar y b) Que no disminuya significativamente el tamaño de los flóculos. Por otra parte es necesario la implementación de un estanque agitado que permita la oxidación del As III a As V en el agua recuperada antes de ser re-incorporada al proceso de tratamiento. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 EQUIPO El sistema experimental empleado a escala piloto consiste en un reactor en serie con un segundo estanque. El primero se utiliza para la bioconversión y es equipado con dispositivos para un adecuado mezclado y agitación. El segundo se utiliza para el almacenamiento y concentración del fango tratado y para la formación de un sobrenadante relativamente clarificado. Ambos estanques fueron construidos idénticamente, con el fin de que cualquiera de ellos pueda ser el estanque primario. En la figura 1 se esquematiza el equipo utilizado, el cual es de geometría cilíndrica con base cónica. El volumen del reactor se determina con la siguiente expresión: V digestor Peso del fango = ρ agua (1) V digestor = Π R 2 h L h + c h 3 L (2) D = 3 h L (3) donde: h c : Profundidad en centro del reactor; h L : Profundidad lateral del reactor; R : Radio del reactor; D : diámetro del reactor; ρ agua : Densidad del agua. Figura 1. Esquema de dos reactores en serie para el tratamiento de aguas residuales Los tanques de digestión cilíndricos suelen tener diámetros entre 6 y 38 m. La profundidad del líquido debe ser mayor que 7,5 m. El fondo del estanque de geometría cónica con pendiente hacia el cuenco de extracción de fangos, generalmente se encuentra situada en el centro. La pendiente de la sección cónica como mínimo debe ser 4 :1 (relación vertical: horizontal). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Para la agitación/homogeneización no es recomendable efectuar agitaciones enérgicas de tipo mecánico debido a que ellas rompen los flóculos y dificultan el proceso de filtración. Debido a lo anterior es que la homogeneización se realizará por recirculación. El mezclado fue efectuado con un bombeo a través de conductos de circulación exteriores, los que permiten obtener un adecuado mezclado vertical y una mínima acumulación de espumas. El sistema de bombeo utilizado consistió en bombas centrífugas dispuestas externamente junto a las conducciones asociadas (véase figura 1). El mezclado es inducido por la circulación del fango. Los parámetros de operación necesarios para la agitación se determinan con las siguientes expresiones: Potencia de equipos Pot. Específica = (4) Volumen reactor G = Grad. de velocidad = Potencia específica µ abs. fango (5) De acuerdo a la ecuación de Camp y Stein (1943): G = P µ V (6) donde G: Gradiente de velocidad medio, s -1 ; P: Potencia necesaria, W; µ :Viscosidad dinámica, N. s. m -2 ; V:Volumen del floculador, m 3 de reactor. El equipo consta de cuatro deflectores, dispuestos verticalmente en las paredes del estanque, desde el fondo y sobresaliendo sobre el nivel del líquido. El ancho de los deflectores es calculado a través de la siguiente expresión: D W d = (7) 10 D es el diámetro del estanque. El mezclado debe tener un tiempo de renovación, t r, entre 20 y 30 minutos, determinado a través de la siguiente expresión: V t r = Q digestor fango (8) El sistema para la bioconversión de lodos consta de las siguientes etapas 11 :! Un sistema de dos reactores en serie completamente sellados.! En el primer reactor se adicionan de manera dosificada los lodos, los nutrientes y los reactivos necesarios para el control de ph, si fuera necesario.! El segundo es equipado de un mecanismo de agitación lenta, donde la mezcla permanece el tiempo necesario para la conversión de los lodos, el cual se separa por sedimentación.! El agua recuperada se somete a un proceso de oxidación con cloración y agitación antes de ser reingresada al proceso en el Estanque de Ingreso donde se dosifica el FeCl 3.! Los lodos descargados podrán ser luego ser sometidos a tratamientos como la filtración. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 CONCLUSIONES La aplicación de procesos biotecnológicos ha logrado gran importancia en el sector industrial y en procesos de biorremediación. Existen sistemas patentados de tratamientos que utilizan material biológico para la recuperación de aguas. El punto inicial para el desarrollo de procesos biotecnológicos son los fenómenos biológicos explotables. Las tecnologías actualmente utilizadas en el abatimiento de arsénico del agua, basan principalmente su fundamento en técnicas de precipitación, intercambio iónico, procesos electroquímicos y de membranas, sin embargo, la aplicación de tales procesos puede quedar restringida por inconvenientes técnicos o económicos. A diferencia de lo que ocurre con equipos para procesos de transferencia de masa o de calor, no existe una metodología para el diseño de equipos, dentro de los cuales se desarrolle una reacción o conversión bioquímica, debido principalmente a que el diseño del biorreactor estará regido por el sistema de reacción específico y el tipo de microorganismos que se emplee. El reactor biológico diseñado considera el efecto del flujo, el tiempo de residencia, el ph, la temperatura, la biomasa, la concentración de nutrientes y la velocidad de agitación, con el fin de obtener un rendimiento óptimo de la conversión de los lodos arsenicados. El reactor corresponde a la clasificación de reactores de contacto anaerobio, el cual presenta numerosas ventajas. AGRADECIMIENTOS El presente trabajo se desarrolló en el marco del Proyecto FONDEF D99I1026 "Bioprecipitación de arsénico en aguas de desecho de empresas sanitarias y mineras". REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 MARÍN G., R. (1998) Gestión de lodos hidróxido. Ingeniería Química. Pp M. UNDEBARRENA (1999). Deshidratación térmica de lodos en el ámbito industrial. Ingeniería Química, 3 R. GATICA C.; W. Cerda A.; E. Saez R. (1999), Abatimiento de turbiedad y color en plantas convencionales bajo condición de invierno altiplanico. XIII Congreso Chileno de Ingenieria Sanitaria y Ambiental, ANTOFAGASTA, Octubre de AE CHILDRESS, EM Vrijnhoek, M. Elimelech, TS Tanaka & MD Beuhler (2000). Particulate and THM precursor removal wih ferric chloride. Journal of Environmental Enginering - Asce 125, 11: P. REBOLLEDO, A. Manriquez y M. Edding (1999), Control de Algas en el Complejo de Tratamiento de Agua Potable Las Vizcachas. XIII Congreso Chileno de Ingenieria Sanitaria y Ambiental, ANTOFAGASTA, Octubre de SLATER, G. Y COL. (1973). Disposal of waterworks sludge: Final Report of Research Panel, nº 14. J. Of Inst. of Water Eng. USA, 27 (8): R. GATICA C.; W. Cerda A.; E. Saez R. (1999), Abatimiento de turbiedad y color en plantas convencionales bajo condición de invierno altiplanico. XIII Congreso Chileno de Ingenieria Sanitaria y Ambiental, ANTOFAGASTA, Octubre de W. CERDA A., R. Gatica C., M. Veneros A. (1999), Sistema de recuperación y disposición final de lodos arsenicados, XIII Congreso Chileno de Ingenieria Sanitaria y Ambiental, ANTOFAGASTA, Octubre de METCALF, E. Ingeniería de Aguas Residuales: Tratamiento, vertido y reutilización. 3º Edición, McGraw-Hill BELHATECHE, D. "Choose Appropriate Wastewater Treatment Technologies". Chem. Eng. Progress, Agosto Pp RODRIGO, M.A., J. Ferrer., A. Seco., J.M. Penya-roja. "Eliminación biológica de nutrientes en aguas residuales. (IIa) Fundamentos biológicos". Ingeniería Química, Junio Pp ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6