DISEÑO, ARRANQUE Y OPERACIÓN DE REACTOR EN SECUENCIA BATCH A ESCALA PILOTO PARA TRATAMIENTO DE AGUAS CLOACALES

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1 XXX CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL 26 al 30 de noviembre de 2006, Punta del Este - Uruguay ASOCIACIÓN INTERAMERICANA DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL - AIDIS DISEÑO, ARRANQUE Y OPERACIÓN DE REACTOR EN SECUENCIA BATCH A ESCALA PILOTO PARA TRATAMIENTO DE AGUAS CLOACALES Castelló, E., Barcia, R., Passeggi M., López I., Borzacconi L. RESUMEN Elena Castelló (1) Ingeniera Química y Tesista de la Maestría en Ingeniería Química de la Aplicar Universidad de la República. Investigadora y docente grado 2 del Instituto de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería. Foto Rodrigo Barcia Estudiante de Ingeniería Química de la Universidad de la República. Ayudante grado 1 del Instituto de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería. Mauricio Passeggi Ingeniero Químico, y Tesista de la Maestría en Ingeniería Ambiental de la Universidad de la República. Investigador y docente grado 2 del Instituto de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería. Iván López Ingeniero Químico y Magíster en Ingeniería Química de la Universidad de la República. Investigador y docente grado 3 del Instituto de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería. Liliana Borzacconi Ingeniera Química, Magíster y Doctora en Ingeniería Química de la Universidad de la República. Investigadora y docente grado 5 del Instituto de Ingeniería Química de la Universidad de la República. Javier Huertas Ingeniero Civil. Departamento técnico de OSE. Dirección (1) : Herrera y Reisig, 565 Montevideo Código Postal Uruguay- Tel.: (+5982) Fax: (+5982) elenacas@fing.edu.uy Los reactores en secuencia batch han probado ser una alternativa factible para plantas de tratamiento de pequeñas comunidades debido a la sencillez de su operación y la extrema versatilidad que presentan para alcanzar variados objetivos tales como remoción de materia orgánica y remoción de nutrientes. Existen experiencias documentadas de su uso en países como Estados Unidos, Australia, Japón, Alemania, Canadá para el tratamiento de aguas cloacales tanto de pequeñas como de grandes comunidades (Wilderer et al., 2001). Este trabajo presenta el diseño y parámetros de operación de un reactor SBR a escala piloto ubicada en la planta de tratamiento de aguas residuales de Santa Lucía. El objetivo de este estudio es adquirir la experiencia necesaria en el uso de esta tecnología aún no usada en el país para el tratamiento de aguas cloacales para remoción de materia orgánica, nitrógeno y en una segunda instancia también fósforo. El reactor consiste de un cilindro de hierro de 3,8m 3 de volumen Para el monitoreo del proceso se instalaron sensores de OD, ORP (Potencial de óxido reducción) y ph. El control del reactor se realiza a través de un PLC donde se setean los tiempos para cada una de las etapas de operación La planta de tratamiento cuenta con un sistema SCADA para el control y registro de datos el cual será utilizado a su vez para el control y registro de los datos del reactor piloto.dado que la relación DQO TOT /TKN muestra que no existe exceso de materia orgánica disponible para el proceso de desnitrificación se elige como alternativa de proceso un sistema con predesnitrificación.

2 PALABRAS CLAVE SBR, aguas cloacales, nitrógeno INTRODUCCIÓN Los reactores en secuencia batch han probado ser una alternativa factible para plantas de tratamiento de pequeñas comunidades debido a la sencillez de su operación y la extrema versatilidad que presentan para alcanzar variados objetivos tales como remoción de materia orgánica y remoción de nutrientes. Existen experiencias documentadas de su uso en países como Estados Unidos, Australia, Japón, Alemania, Canadá para el tratamiento de aguas cloacales tanto de pequeñas como de grandes comunidades (Wilderer et al., 2001). Las secuencias o etapas de operación comprenden el llenado, mezcla, reacción en etapa aerobia o anóxica, sedimentación y drenaje. El sistema podría incluir una etapa anaerobia al comienzo del ciclo en caso que se requiera la remoción de P (Artan et al., 2001; Irvine et al., 1997; Ketchum, 1997). La operación en discontinuo permite adaptar los parámetros de operación (fundamentalmente los tiempos de cada una de las etapas) a las características particulares y a las eventuales variaciones en el efluente a tratar. La aparente complejidad operativa que podrían presentar estos sistemas se resuelve a través de dos vías fundamentales: la adecuación de la operación a variaciones de carga del influente (caudal y concentración) y mediante la automatización del funcionamiento (Brenner, 1997). La identificación de parámetros de control que puedan monitorearse on-line (Yu et al., 1997) y que además se relacionen con el funcionamiento del reactor está hoy dentro de las posibilidades de instrumentación de una planta de tratamiento relativamente sencilla. En países como Japón y Alemania se han realizado relevamientos de las instalaciones existentes y en base a ellos se han elaborado guías técnicas para el diseño y la operación de reactores SBR para el tratamiento de aguas domésticas e industriales (Alemania, ATV- M210) y sólo domésticas en Japón. También se encuentran numerosas referencias bibliográficas donde se reportan parámetros de diseño y operación de reactores SBR para el tratamiento de aguas cloacales. Es importante destacar la el amplio espectro de parámetros operacionales seleccionados para la operación de estos reactores, con un tiempo total de ciclo que varía entre 4 y 12h (Imura et al., 1993; Umble and Ketchum, 1997; Mykosz, 2000; Yu, 2000; Choi, 2000). En Artan, 2005 se propone un base para el diseño racional de un sistema SBR basado en la cinética y estequiometría de los procesos relevantes de acuerdo al objetivo de tratamiento deseado. Este trabajo presenta el diseño y parámetros de operación de un reactor SBR a escala piloto ubicada en la planta de tratamiento de aguas residuales de Santa Lucía. Dicha planta cuenta con un sistema de lodos activados que resuelve el tratamiento de todo el efluente que llega a la planta. La ubicación del piloto en dicha planta obedece a la buenas condiciones existentes para el monitoreo y seguimiento contando además con un sistema SCADA para el control del sistema y registro de datos en línea. El objetivo de este estudio es adquirir la experiencia necesaria en el uso de esta tecnología aún no usada en el país para el tratamiento de aguas cloacales para remoción de materia orgánica, nitrógeno y en una segunda instancia también fósforo.

3 aireador DESCRIPCIÓN DEL REACTOR Y ACCESORIOS La geometría del reactor estuvo determinada por el material disponible por OSE para la construcción del mismo. Esta aclaración es necesaria ya que la relación altura:diámetro ~ 1:6 no es muy habitual. El reactor consiste de un cilindro de hierro de 3,8m 3 de volumen recubierto de pintura epoxi en su interior y de las siguientes dimensiones: diámetro= 0,94m; altura= 5,5m. Se instaló un difusor de membrana flexible centrado en la parte inferior del reactor para la entrada de aire. Dado que existen períodos en que el sistema es operado con etapa anóxica (sin ingreso de O 2 ) se cuenta con una agitación independiente a través de la recirculación de líquido mediante una bomba centrífuga. Para el monitoreo del proceso se instalaron sensores de OD, ORP (Potencial de óxido reducción) y ph. El control del reactor se realiza a través de un PLC donde se setean los tiempos para cada una de las etapas de operación La planta de tratamiento cuenta con un sistema SCADA para el control y registro de datos el cual será utilizado a su vez para el control y registro de los datos del reactor piloto. En la figura 1 se puede observar un esquema del reactor. desborde escalera Válvulas de descarga (manguera 1") Sensores de OD, ORP, ph Alimentación visores de sedimentación fondo Figura 1 Esquema del reactor bomba Válvulas para toma de muestra Bomba de recirculación CARACTERIZACIÓN DEL AGUA RESIDUAL La toma de alimentación al reactor se ubica a la salida del sedimentador primario por lo cual el afluente al reactor presenta baja concentración de sólidos suspendidos. De acuerdo a los análisis realizados la concentración media de sólidos suspendidos del afluente al reactor es 170mg/L (es promediable a lo largo del día). Al afluente que ingresa al reactor se le realizaron análisis de DQO TOT y DQO SOL, N-Kjeldah (TKN) y N-NH 4 + a lo largo del día. En las siguientes figuras se pueden observar las variaciones de DQO TOT y DQO SOL (fig. 2) y de TKN y N-NH 4 + (fig.3).

4 Figura 2 Variación de DQO a lo largo del día a la salida del sedimentador primario DQO alimentación SBR DQO (mg/l) :00 12:00 18:00 0:00 6:00 Total Soluble Hora Figura 3 Variación de Nitrógeno a lo largo del día a la salida del sedimentador primario Nitrógeno alimentación SBR TKN NH :00 12:00 18:00 0:00 6:00 Hora Podemos observar que los picos de concentración se dan luego del mediodía hasta las 18hs aproximadamente. La relación entre el DQO TOT y el TKN se encuentra entre 7 y 10 lo cual nos indica que no tenemos mucha disponibilidad de materia orgánica para la desnitrificación. Sobre la alimentación al reactor Es importante aclarar que durante la etapa de llenado se desvía parte de la corriente principal de la planta de tratamiento hacia el reactor piloto. El resto del tiempo todo el caudal de entrada se dirige al sistema de lodos activados con el que cuenta la planta ya que no existe tanque de homogeneización previo al reactor piloto. Por lo tanto las cargas de materia orgánica y nitrógeno que se tratarán en el SBR dependen únicamente del tiempo y volumen de llenado que se fijen y del momento del día en que se lleve a cabo esa etapa ya que como se vio las concentraciones presentan una variación horaria. Esto nos permitirá evaluar la influencia que tiene sobre la actividad de la biomasa las variaciones en la carga para cada etapa. Determinación de la velocidad máxima específica de crecimiento de bacterias autótrofas Se siguió el procedimiento propuesto por Orhon (1994) el cual se describe brevemente: se dispuso en un balón de 2 L una pequeña cantidad de biomasa aclimatada al agua residual y con actividad nitrificante tal que la concentración final de biomasa no fuera mayor a 50mg/l. Se grafica luego la variación de N-NO 3 + N-NO 2 en función del tiempo y de la pendiente se obtiene µ A,máx. Se realizaron las experiencias por triplicado y se obtuvo un valor de µ A,máx

5 promedio de 0,5 d -1. El valor obtenido es del orden de los reportados en bibliografía (0,3d -1 ) (Orhon, 2005). Selección del tipo de proceso En primera instancia el objetivo del tratamiento biológico es la remoción de materia orgánica y nitrógeno. Las alternativas de proceso para cumplir con este objetivo se podrían resumir en: 1. Sistema con predesnitrificación. Las secuencias de etapas serían las siguientes: llen-anóxaer-sed-desc. Las condiciones anóxicas se logran con la recirculación del NO X formado en la etapa aerobia del ciclo anterior. La eficiencia de remoción de nitrógeno dependerá de la relación de V 0 /V F (influye sobre el NO X disponible al inicio del ciclo) y de la relación DQO/N en el afluente. Este sistema es preferido cuando la relación DQO/N es baja ya que en la etapa anóxica se utiliza todo el DQO biodegradable. 2. Sistema con más de una secuencia llen-anox-aer. En este caso el NO X disponible para las etapas anóxicas no es función de la relación V 0 /V F. Este sistema es más eficiente cuando no hay limitación de materia orgánica. De acuerdo a la disponibilidad de materia orgánica en la alimentación se elige como alternativa un sistema con predesnitrificación. PARÁMETROS SELECCIONADOS PARA EL ARRANQUE La operación del reactor se diseñó de forma de lograr una remoción de nitrógeno tal que NT SAL <10mgN/l siguiendo el procedimiento propuesto por Orhon, 2005 y los parámetros determinados experimentalmente. Tabla 1 Resultados del diseño Parámetro Valor Observaciones Parámetro Valor Observaciones 1.S NH,D +S NO,D 10 Parámetros requeridos para el diseño 2.θ XA (d) 8 Seleccionado en base al µ A,máx determinado 3.S NH 1 Calculado en base al θ XA seleccionado 4.S NO 5.S NO,A 6.Verificar V 0 /V F <4 (Artan, 2005) 7.Seleccionar T Ciclo (h) 8.Seleccionar T llen (h) 9.Seleccionar Tsed+desc (h) 9 Requerimiento del diseño Producción de lodos (mg/l) 31 Deben ser disponibles al inicio de la etapa anóxica 3.4 Calculado en base al S NO,A 8 Seleccionado en base a referencias bibliográficas 2 Seleccionado en base a referencias bibliográficas 2 Seleccionado en base a referencias bibliográficas 170 Calculado en base a coeficientes de producción de biomasa het. y aut. y concentraciones iniciales Verificar V S /V F <V 0 /V F 1.7 V S = volumen de lodo sedimentado. Calculado tomando IVL=100ml/g, θ XA y tiempo estimado de reacción Los valores determinados son contrastados con los resultados experimentales. Durante la operación se buscará optimizar los tiempos de operación de cada etapa de acuerdo a los resultados que se vayan obteniendo.

6 REFERENCIAS Artan, N.; Wilderer, P.; Orhon, D.; Morgenroth, E.; Ozgur, N. (2001) The mechanism and design of sequencing batch reactor systems for nutrient removal the state of the art. Wat. Sci. Technol.43(3), Artan,N., Orhon, D. (2005) Mechanism and Design of Sequencing Batch Reactors for Nutrient Removal. Scientific and Technical Report Nº19, IWA Publishing. Brenner, A. (1997) Use of computers for process and design analysis and control: sequencing batch reactor application. Wat. Sci. Technol.35(1), pp Choi, E., Park, H. (2000) Phosphorus removal from SBR with controlled dentitrification forweak sewage. Symposium on SBR technology, Vol 1, p.199. Imura, M., Suzuki, E., Kitao, T., Iwai, S. (1993) Advanced treatment of domestic wastewater using sequencing batch reactor activated sludge process. Wat. Sci. Technol. 28(10), Irvine, et al., 1997 Ketchum, J.; (1997) Design and Physical Features of Sequencing Batch Reactors. Wat. Sci. Technol. 35 (1), pp J. Mikosz, E. Plaza, J. Kurbiel (2000) Use of computer simulation cycle length adjustment in SBR. Symposium on SBR technology, Vol 1, p.110. Umble, A., Ketchum, L. (1997) A strategy for coupling municipal wastewater treatment using the sequencing batch reactor with effluent nutrient recovery through agriculture.. Wat. Sci. Technol. 35(1), Wilderer, P.; Irvine, R.; Goronszy, M. (2001) Sequencing Batch Reactor Technology. Scientific and Technical Report Nº10, IWA Publishing. Yu, R., Liaw, S., Chang, C., Lu, H., Cheng, W. (1997) Monitoring and control using on-line ORP on the continuous-flow activated sludge batch reactor system. Wat. Sci.Technol. 35(1), R. Yu, S. Liaw, W. Cheng, C. Chang (2000) Performance Enhacement of SBR Aplying Real- Time Control. Journal of Environmental Engineering, 126(10), p :