I CONSTANTES CINÉTICAS EN UN SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS A ESCALA LABORATORIO

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1 I-19 - CONSTANTES CINÉTICAS EN UN SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS A ESCALA LABORATORIO Carolina Finamore Correa (1) Ingeniero Químico de la Universidad Central de Venezuela - UCV (1999). Ingeniero en Desarrollo y Control de Calidad en el área de adhesivos en Inversiones Simbi, Venezuela. Henry A. Blanco S. Ingeniero Civil de la Universidad Central de Venezuela - UCV (199). Magister Scientiarum en Ingeniería Sanitaria - UCV (1997). Profesor Asistente. Escuela de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería - UCV. Eudoro E. López L. Ingeniero Civil de la Universidad Central de Venezuela - UCV (1963). Master of Science in Engineering University of California Berkeley, USA (1971). Estudios dirigidos al Ph.D. en Ingeniería Sanitaria, University of California (1971). Profesor Asistente Escuela de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería - UCV. Dirección (1) : 1era. Av. Sta. Eduvigis, Edif. Aurora, Piso 7, Apto. #74, Caracas 141-A - Venezuela - Tel: (5814) / (582) carofinamore@hotmail.com RESUMEN Los modelos físicos de lodos activados a escala han sido utilizados para la realización de investigaciones en el diseño y operación de este tipo de tratamiento biológico. Varias plantas a escala prototipo han presentado problemas de operación y funcionamiento, probablemente por un diseño inadecuado basado en parámetros no adaptados a las condiciones de climas tropicales, por ello ha surgido la idea de demostrar si los resultados obtenidos al trabajar con sistemas a escala laboratorio pueden ser utilizados para fines de diseño. Para la realización de este trabajo, se utilizó un sistema de lodos activados a escala laboratorio conformado por un tanque de aeración de 3 l y un sedimentador de 1 l y alimentado con líquido residual municipal. El sistema fue operado durante 8 meses con tiempos de retención hidráulico (θ) entre 5 y 17 horas y celular (θc) entre 15 y 3 días. Durante la evaluación se realizaron diariamente determinaciones de ph, temperatura, oxígeno disuelto y sólidos sedimentables en el licor mezclado. Asimismo se determinaron 3 veces por semana DQO y DBO 5,2 en el afluente y efluente, asi como sólidos suspendidos volátiles en el licor mezclado (SSVLM). La información generada por estos análisis permitió visualizar la estabilidad alcanzada en cada etapa de evaluación, además de definir mediante los porcentajes de remoción de materia orgánica, la eficiencia de cada etapa, siendo el rango obtenido entre 65 y 9 % para DQO y entre 63 y 88% para DBO 5,2. Considerando la influencia del clima y el origen del líquido residual a ser tratado, las constantes cinéticas obtenidas K S = 35 mg DBO/l, k=,64 d -1, Y=,39 mg SSVLM/mg DBO y k d =,34 d -1 son representativas de un sistema de lodos activados a escala laboratorio alimentado con líquido residual de origen municipal, y operando en condiciones de clima tropical. PALABRAS-CLAVE: Constantes Cinéticas, Modelo Físico, Escala Laboratorio, Lodos Activados. INTRODUCCIÓN Los modelo físicos han sido utilizados para el diseño de los sitemas a escala real o prototipo. En el caso específico de los sistemas de tratamiento de lodos activados, la determinación de constantes cinéticas es una alternativa para diseñar estos sistemas de tratamiento. En este sentido en la Planta Expermental de Tratamiento de Aguas, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, PETA,UCV, se ha venido desarrollando investigaciones dirigidas a la evaluación de un modelo físico a escala laboratorio, operado inicialmente por Rincones (1995) con el efluente de una papelera para la determinación de las constantes cinéticas K S, k, Y y k d y por Blanco (1997) para el desarrollo de la metodología de operación. Revisando la literatura se ha encontrado que las constantes cinéticas obtenidas por los diferentes investigadores que han trabajado con sistemas de lodos activados a escala laboratorio suelen presentar un rango muy amplio: K s (mgdbo/l): , k (d -1 ):,31-5,, Y(mg SSV/mg DBO):,31-,81 y k d (d -1 ):,12-,19, razón por la cual puede limitar su uso para el diseño de sistemas de lodos activados, debido a la ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 incertidumbre de qué valor seleccionar, con la gran limitante que en su mayoría son valores obtenidos con sustrato sintético o industrial. Se tiene que la constante K S alcanza los mayores valores cuando se trabaja con sustrato de tipo industrial, como en el caso de Rincones (1995), que obtuvo un valor de 266 mg DBO/l, mientras que los menores, 23 mg DBO/l, se alcanzan cuando se trabaja con líquido sintético, como el caso de Gomes (1998). En cuanto a la constante k, esta presenta gran variabilidad en los valores reportados,,31 d -1, Alvarez (1998) y 2,9 d -1, Beltrame (198), quienes trabajaron con sustrato de tipo industrial y sintético respectivamente. Lo anterior indica que para el caso de líquidos industriales se reportan los mayores valores de la constante K S y los menores de k, contrariamente a lo que ocurre al trabajar con líquidos residuales sintéticos, lo cual puede ser debido a la composición orgánica de los sustratos en cada uno de los casos. Los valores de las constantes Y y k d se encuentran dentro de un rango con menor variabilidad, con valores de Y inferiores,,312 mg SSV/mg DBO, en el caso de sustratos industriales, Rincones (1995) y,81 mg SSV/ mg DBO, determinados por Gomes (1998) para sustratos sintéticos. La constante k d, se encuentra entre,12 y,19 d -1, valores hallados por Gomes (1998) y Beltrame et al (198) respectivamente, ambos para sustratos sintéticos. Esta revisión y análisis lleva a plantear la necesidad de estudios cinéticos específicos para cada caso particular, si se desea utilizar las constantes cinéticas en el diseño de sistemas de lodos activados para el tratamiento de líquidos residuales domésticos o municipales. En tal sentido el objetivo de la presente investigación es la determinación de las constantes cinéticas: K S, k, Y y k d en el sistema de lodos activados a escala laboratorio para el tratamiento de un agua residual de origen municipal. MATERIALES Y MÉTODOS La metodología y el modelo físico de lodos activados utilizado para esta investigación fue ajustado por Blanco (1997) y está ubicado en la PETA-UCV. El afluente utilizado, líquido residual proveniente del Colector Marginal Izquierdo Río Valle (CMIRV), está constituido principalmente por aguas residuales de origen doméstico, de un sector del Área Metropolitana de Caracas, Venezuela. El modelo de lodos activados utilizado consta de un tanque rectangular de vidrio, de,6 m de largo,,25 m de ancho y,35 m de altura total, con un volumen útil de 4 l aproximadamente, de los cuales 3 l corresponden al reactor o tanque de aeración y 1 l al sedimentador. En la parte media del reactor existe un orificio con una manguera que permite la extracción del licor mezclado (Q W ), con objeto de regular el tiempo de residencia celular del modelo. En la figura 1 se presenta el modelo físico descrito. Figura 1: Modelo físico de lodos activados a escala laboratorio. La recirculación del lodo desde el fondo del sedimentador hacía el tanque de aireación se realiza por gravedad a través de una abertura transversal dispuesta a lo ancho del modelo. Adicionalmente el peso del lodo que decanta en el sedimentador contribuye con una fuerza de empuje al paso o recirculación del material decantado. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 El aire fue suministrado por un soplador de membrana a través de un dispositivo de vidrio con tres conductos que finalizan en difusores porosos, como se observa en la figura 2. La posición de los difusores fue ajustada para obtener una distribución uniforme del aire que ingresa al reactor de modo que se asegure un óptimo mezclado y la recirculación del lodo. Figura 2: Soplador y sistema de aireación del modelo físico de lodos activados. La alimentación al sistema, modificada en este trabajo, se realiza a través de una manguera, la cual desciende por gravedad el líquido residual proveniente de un tanque de alimentación de 1 l de capacidad, alimentado con agua residual cruda del CMIRV, la cual es impulsada por una bomba sumergible de ¼ Hp., equipada con una derivación que regula el caudal de entrada al tanque y un sistema de reciclo del líquido residual, con el fin de garantizar la inalterabilidad de las características físicas del agua que alimenta al sistema. Para la recolección del efluente del modelo o agua tratada se utilizó un tanque con una capacidad aproximada de 3 l, que permitió determinar el caudal de operación del modelo, mediante la medición de la altura de agua acumulada en un periodo determinado, generalmente 24 horas, para obtener el tiempo de retención hidráulico representativo. En cuanto a la operación del reactor de lodos activados a escala laboratorio, todos los análisis se efectuaron siguiendo las metodologías propuesta en el Standard Methods for the Examination of Water Wastewater, 19 th Edition. El sistema fue operado durante 8 meses con caudales entre 42,2 y 142,4 l/d, correspondientes a θ entre 17 y 5 horas, así como θ c entre 1 y 3 días. Durante este tiempo se realizaron determinaciones de ph, temperatura, oxígeno disuelto y sólidos sedimentables en el licor mezclado diariamente y se determinaron, tres veces por semana, DQO y DBO 5,2 en el afluente y efluente y SSVLM. Cabe destacar que durante la operación del sistema debieron de considerarse ciertos aspectos que aseguraran las condiciones adecuadas para el satisfactorio desempeño del sistema. Estos aspectos a controlar fueron: 1) fijación de etapas de evaluación del sistema, 2) caudal de alimentación al sistema, por medio de la altura de agua tratada en el tanque de recepción, 3) control del tiempo de residencia celular fijado, 4) captación de muestras, donde las muestras afluentes se tomaban a la misma hora del día y en el efluente se captaba dejando transcurrir el tiempo de retención hidráulico fijado. En cuanto a la muestra del licor mezclado se aprovechaba el caudal de lodo de exceso extraído diariamente del sistema, 5) mantenimiento y limpieza de equipos y materiales, mediante la circulación diaria de agua limpia por las conexiones y tuberías y 6) observación cualitativa periódica al microscopio de la microfauna presente en el sistema. Inicialmente el modelo físico fue alimentado por carga con el agua residual del CMIRV para crear la biomasa encargada de la degradación de la materia orgánica, tiempo que corresponde a la etapa de arranque del sistema y cuya duración total fue de 1 mes, seguidamente estuvo la etapa de aclimatación de la biomasa recién formada, caracterizada por la fijación inicial de un caudal de alimentación sin la extracción de lodo de exceso, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 etapa que duró 3 semanas aproximadamente y que probablemente trajo como consecuencia la aparición de oligoquetos en el sistema, situación que fue controlada posteriormente. Una vez aclimatada la biomasa se fijaron las cinco etapas bajo las cuales fue evaluado el sistema, cada una de las cuales definida por un tiempo de retención hidráulico y un tiempo de residencia celular como se muestra a continuación en la Tabla 1. Tabla 1: Etapas de evaluación del sistema de lodos activados a escala laboratorio. ETAPA PERÍODO θ (horas) θ C (días) 1 7/5/99 al 3/5/99 17, /5/99 al 29/6/99 16, /6/99 al 3/7/99 1, /8/99 al 5/9/99 5, /9/99 al 8/1/99 14,6 2 RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Tabla 2 se observa el intervalo de valores entre los cuales estuvieron los parámetros de control a lo largo de todo el período de evaluación del sistema. La temperatura no presentó variaciones significativas, al igual que el ph, el cual fue prácticamente neutro y en escasas ocasiones los valores estuvieron por debajo de 7, debido probablemente a alguna alteración en las características del líquido residual de alimentación. Con respecto al oxígeno disuelto, en las etapas de arranque y aclimatación es donde se presentan un intervalo mayor de valores debido a la adaptación del sistema, posteriormente los valores se encontraron entre 2 y 4 mg/l. El comportamiento de estos parámetros a lo largo de la evaluación indican una buena condición para la formación y desarrollo de la biomasa. Tabla 2: Parámetros físico-químicos en el reactor de lodos activados a escala laboratorio. ETAPA T(ºC) ph O.D (mg/l) Arranque 21,6-25, 5,8-8,1 3,4-5,6 Aclimatación 23, - 24,1 7,2-7,7 2,2-5,6 1 23,2-24,3 7,1-7,6 1,8-3,4 2 23,2-24,3 7,1-7,9 2, - 3, 3 23,2-25,3 7,1-7,9 1,8-3, 4 23,1-25,5 4,8-7,8 2, - 3,2 5 22,8-25,1 6,4-7,8 2,8-4,2 En la Tabla 3 se presentan los promedios correspondientes a los parámetros evaluados en el sistemas de lodos activados durante cada una de las etapas de evaluación, donde se puede notar que a medida que el tiempo de retención hidráulico es menor, aumenta ligeramente la concentración de sólidos en el licor mezclado, siendo marcada la diferencia cuando pasa de 1 a 5 horas. También se observa que en relación al contenido de materia orgánica en el afluente, el agua residual entra en la clasificación de concentración débil ( Metcalf & Eddy, 1991). En la Figura 3 puede observarse el incremento del porcentaje de remoción de materia orgánica en términos de DBO 5,2 a medida que aumenta tanto el tiempo de retención hidráulico, así como el tiempo de residencia celular, y tiende a estabilizarse en 9 % aproximadamente para θ mayor a 15 horas y θc entre 2 y 3 días. Tabla 3: Promedio de valores en cada etapa de evaluación del sistema de lodos activados a escala laboratorio. ETAPA θ (h) θ C (d) DQO A DQO E DBO A DBO E %Rem %Rem SSVLM (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) DQO DBO (mg/l) 1 17, ± 65 4 ± ± 4 22 ± ± , ± 6 29 ± ± 3 15 ± ± 4 3 1, ± ± ± 6 25 ± ± ,6 1 3 ± ± ± 6 42 ± ± , ± ± ± 7 16 ± ± 17 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Figura 3: Remoción de DBO en función de los tiempos de retención hidráulico y celular. % Rem DBO θ (horas) % Rem DBO θc (días) Es importante mencionar que se evaluaron otros parámetros tales como: el Índice Volumétrico de Lodos (IVL) y la relación sustrato-microorganismos (F/M), los cuales no sólo fueron utilizados para evaluar la calidad y crecimiento de la biomasa, sino para determinar la estabilización en cada etapa de evaluación. Los rangos dentro de los cuales estuvieron estos parámetros a lo largo de todas las etapas de evaluación del sistema, pueden observarse en la Tabla 4. Tabla 4: Rangos de variación del Índice Volumétrico de Lodos (IVL) y relación sustratomicroorganismos (F/M). Etapa IVL (ml/g) F/M ( mg DQO / mg SSVLM*d) F/M ( mg DBO /mg SSVLM*d) ,4 -,64,18 -, ,5 -,59,21 -, ,74-1,4,29 -, ,25-1,74,49 -, ,49 -,68,18 -,26 La determinación de las constantes cinéticas (K s, k, Y y k d ) fue realizada utilizando los valores promedios correspondientes a las concentraciones de DBO 5,2 (So) y SSVLM (X) durante los últimos días de cada etapa, selección hecha con base en que la desviación estándar de estos valores era menor en ese período de evaluación, indicando una completa estabilidad del sistema. Una vez seleccionados los valores, se aplicó el método de mínimos cuadrados. En este caso en particular se presentó inconsistencia en los resultados de las etapas 1 y 2, produciendo un factor de regresión de la recta con los cinco puntos de evaluación bastante bajo (,89 y,81), posiblemente porque los resultados de la etapa 1 se vieron afectados por la presencia de oligoquetos en el período de aclimatación. Esto hizo tomar la decisión de eliminar dicha etapa, por considerarla no representativa, obteniendo las constantes cinéticas con las etapas 2,3,4 y 5, las cuales se presentan en la figura 4. Figura 4: Constantes cinéticas en términos de DBO. X* /(So-S) y = 55.41x R 2 =.991 1/ c y =.3859x R 2 = /S (So-S)/X*θ ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Con los resultados obtenidos en este estudio y la aplicación del método gráfico se pudieron obtener los valores correspondientes a las constantes cinéticas K S, k, Y y k d basados en las determinaciones de DQO y DBO 5,2, los cueales se presentan en la Tabla 5. Estos valores se encuentran en los rangos encontrados en la literatura, sin embargo no pueden ser comparados directamente, ya que existe marcada discrepancia con los trabajos realizados por otros investigadores, entre las cuales se destacan: la capacidad de los modelos físicos, generalmente menores; el tipo de sustrato usado, en la mayoría de los casos de tipo sintético o industrial con concentraciones mayores a las del líquido residual usado en esta investigación (CMIRV) y las condiciones climáticas. Por tal razón se establece que estas constantes son representativas de un sistema de lodos activados a escala laboratorio alimentado con líquido residual municipal diluido y operando en condiciones de clima tropical. Tabla 5: Constantes cinéticas del sistema de lodos activados a escala laboratorio. 35 K S (mg DBO/l) k (d -1 ) Y (mg SSVLM/mg DBO) k d (d -1 ),64,39,34 CONCLUSIONES Las constantes cinéticas obtenidas en esta investigación, representativas para un sistema de lodos activados a escala laboratorio para un líquido residual municipal débil fueron las siguientes: K S = 35 mg DBO/l, k=,64 d - 1, Y=,39 mg SSVLM/mg DBO y k d =,34 d -1. Las concentraciones de sólidos supendidos volátiles en el licor mezclado (SSVLM) oscilaron entre 6 y 11 mg/l y las de sólidos suspendidos totales entre 8 y 12 mg/l, valores inferiores a los reportados en la literatura. El índice volumétrico de lodos varió entre 79 y 121 ml/g, valores que indican buena sedimentabilidad del lodo. El contenido de materia orgánica en términos de DQO para el afluente se encontró entre mg/l y para el efluente entre mg/l, para un porcentaje de remoción de materia orgánica en términos de DQO entre 65 y 9 %. El contenido de materia orgánica en términos de DBO 5,2 para el afluente se encontró en el rango de 1-14 mg/l y para el efluente entre mg/l, para un porcentaje de remoción de materia orgánica en términos de DBO 5,2 entre 63 y 88 %. Los valores de la relación F/M se ubican entre,2 -,7 mg DBO/ mg SSVLM*d y entre,64-1,74 mg DQO/SSVLM*d, valores mayores a los reportados por la bibliografía. El porcentaje de remoción de DBO 5,2 aumenta a medida que el tiempo de retención hidráulico y el tiempo de residencia celular se incrementan, llegando a un 9 % aproximadamente, para tiempos de retención hidráulicos superiores a 15 horas y de residencia celular entre 2 y 3 días. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. ALVAREZ, E., LAMEDA, F. Construcción y puesta en funcionamiento de un reactor biológico para la determinación de constantes cinéticas y estudio de tratabilidad de agua a nivel de laboratorio (con fines didácticos). Tesis de Grado. Departamento de Ingeniería Química. Universidad Nacional Experimental Politécnica Antonio José de Sucre. Barquisimeto, Venezuela APHA-AWWA-WEF. Standard Methods for the Examination of Water Wastewater. 19th Edition. Washington BELTRAME, P., BELTRAME, P. L., CARNITI, P., PITEA, D. Kinetics of Phenol Degradation by ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Activated Sludge in a Continuous-Stirred Reactor. Journal of the Water Pollution Control Federation, v.52, n.1, p , BLANCO, H. Sistema de Lodos Activados a Escala Laboratorio. Su Aplicación en la Determinación de Constantes Cinéticas. Trabajo de Grado de Maestría. Facultad de Ingeniería. Universidad Central de Venezuela. Caracas, Venezuela FINAMORE, C. Constantes Cinéticas en un Sistema de Lodos Activados. Trabajo Especial de Grado. Escuela de Ingeniería Química. Facultad de Ingeniería. Universidad Central de Venezuela. Caracas, Venezuela, GOMES, C., MAYUMI, C., HENRIQUE, R. Cinética da Degradacao Biológica em Lodos Ativados: CFSTR X SBR. XXVI CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL. Lima, Perú METCALF & EDDY. Wastewater Engineering, Treatment, Disposal and Reuse. Mc Graw-Hill, Inc. 3ª edición. New York, RINCONES, M. Sistema de Lodos Activados a Escala Laboratorio para el Tratamiento de Efluentes Líquidos Industriales de una Empresa Papelera. Trabajo de Ascenso. Facultad de Ingeniería. Universidad Central de Venezuela. Caracas, Venezuela ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7