CO-TRATAMIENTO AEROBIO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES Y DOMESTICAS

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1 CO-TRATAMIENTO AEROBIO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES Y DOMESTICAS Guzmán, Karin y Guerrero, Lorna Departamento de Procesos Químicos Universidad Técnica Federico Santa María lguerrer@pqui.utfsm.cl Palabras Claves: Co-tratamiento aerobio, Lodos Activados, tratamiento de residuos líquidos industriales.

2 INTRODUCCIÓN Generalmente la industria trata o dispone separadamente los residuos líquidos industriales de los domésticos (producidos en baños y cocina de la planta), que es como la normativa ambiental, en general, lo indica. El tratamiento de las aguas residuales domésticas producidas en plantas industriales sin alcantarillado suele consistir en un tratamiento biológico aerobio, previa separación de sólidos suspendidos y posterior desinfección. En cuanto a los residuos industriales líquidos, no se puede generalizar, ya que el tipo de tratamiento a aplicar depende de muchos factores, entre ellos, calidad y cantidad de contaminantes, uso posterior del agua residual, cauce receptor, etc. Si este último debe ser sometido a un tratamiento biológico, puede analizarse la factibilidad técnica de co-tratar ambas aguas residuales, especialmente si significa un ahorro en costos de inversión y operación. En el presente trabajo, se realizó un estudio para determinar la factibilidad de realizar un co-tratamiento biológico de las aguas residuales domésticas e industriales de una industria química orgánica. La industria en cuestión posee, para el tratamiento de sus residuos industriales líquidos, una planta de tratamiento físico-químico (coagulación-floculación y posterior sedimentación), donde elimina gran porcentaje de los sólidos suspendidos presentes en el agua residual (70 80%), pero no cuenta con ninguna operación unitaria que permita la eliminación de la materia orgánica disuelta, presente en cantidades importantes (hasta 5000 mg/l de DBO). Para el tratamiento de sus aguas cloacales, posee un sistema de lodos activados, seguido de una desinfección. Por este motivo, se analizó la posibilidad de co-tratar ambas aguas residuales en una planta de lodos activados, previo conocimiento de la biodegradabilidad y/o toxicidad de la materia orgánica presente en el residuo industrial y adecuación de la flora microbiana a éste. Respecto a esto último, cabe señalar que además se debe analizar como se ven afectados los microorganismos con la variabilidad en las características de las aguas residuales; en la industria se elaboran más de 200 productos diferentes en distintas épocas del año, lo que origina una composición variable, con una alta carga orgánica (que puede llegar hasta 8000 mg/l DQO) y una elevada cantidad de sólidos suspendidos (sobre 1000 mg/l). Para cumplir los objetivos antes planteados, el estudio se dividió en tres etapas: - Etapa 1: se realizó la determinación de la biodegradabilidad del residuo industrial líquido, analizando además, la influencia de la composición en parámetros tales como la velocidad de degradación, ph y otros. Otra determinación realizada fue la adaptabilidad de los lodos a esta agua, mediante alimentaciones sucesivas, - Etapa 2: en base a los datos anteriores, se operó un sistema de lodos activados a nivel piloto que trató una mezcla de residuos líquidos industriales y domésticos en distintas proporciones y con distintos tiempos de residencia hidráulicos (TRHs). Además, se estudió una adecuada puesta en marcha para evitar el colapso del sistema al alimentar los contaminantes químicos. - Etapa 3: esta última etapa se desarrolló en la planta de lodos activados que posee la industria química. Basándose en lo estudiado en el punto anterior, se procedió a reemplazar paulatinamente parte de los residuos domésticos por los industriales, para llegar a trabajar con las mismas proporciones antes estudiadas, y verificar el comportamiento de ésta (en cuanto a degradación de materia orgánica) a distintos TRHs. Características de las aguas residuales MATERIALES Y METODOS Las aguas residuales provenientes de baños y cocina de la planta, similares a aguas domésticas, tienen las características indicadas en la Tabla 1. En la Tabla 2 se muestra el rango en el que se encuentran las características de los residuos líquidos industriales, previamente tratados en la planta físico-química.

3 Como se puede observar en esta última tabla, el rango de valores para la materia orgánica (DBO) del agua residual industrial es amplio, lo mismo que se presenta en otras características, como sólidos suspendidos y sedimentables, sulfatos, etc. Como ya se indicó, esto se debe a la gran cantidad de productos que tiene la industria química. Tabla 1 Características de las aguas residuales domésticas de una empresa química Característica Unidad Rango ph 6-7 Sólidos Suspendidos [mg/l] 20 Aceites y grasas [mg/l] 10 DBO 5 [mg/l] 80 Fósforo [mg/l] 11 Nitrógeno [mg/l] 16 Tabla 2 Características de las aguas residuales industriales de una empresa química Característica Unidad Rango PH Temperatura [ C] Sólidos Sedimentables [mg/l] Sólidos Suspendidos [mg/l] Aceites y grasas [mg/l] Hidrocarburos [mg/l] DBO 5 [mg/l] Cianuro [mg/l] Fenoles [mg/l] Fósforo [mg/l] Nitrógeno [mg/l] Sulfatos [mg/l] Sulfuros [mg/l] Detergentes [mg/l] Parámetros de control Para el control de los diversos sistemas biológicos utilizados, se midieron los parámetros indicados en la Tabla 3, con la periodicidad que allí se indica. Respecto a la biodegradabilidad, ésta se mide como se indica a continuación:

4 DQOa - DQOs % Biodegradabilidad = 100 DQOa Donde DQOa es la demanda química de oxígeno de la alimentación al reactor, y DQOs es la de la salida del sistema biológico. Este parámetro debe ser indicado siempre con el tiempo en el cual fue medido. Tabla 3 Parámetros controlados en los sistemas biológicos de tratamiento y su periodicidad Etapa Parámetro controlado Lugar de muestreo Periodicidad Primera Segunda Tercera DQO Reactor Diaria PH Reactor Diaria Sólidos suspendidos totales Reactor Día por medio Sólidos suspendidos volátiles Reactor Día por medio DQO Entrada y salida del sistema Diaria PH Entrada y salida del sistema Diaria Sólidos suspendidos totales Reactor Diaria Sólidos suspendidos volátiles Reactor Diaria DQO Entrada y salida del sistema Diaria PH Entrada y salida del sistema Diaria Sólidos suspendidos totales Sólidos suspendidos volátiles Piscinas aireación y entrada y salida del sistema Piscinas aireación y entrada y salida del sistema 2 veces por semana 2 veces por semana Equipos y Procedimiento de Cada Etapa Etapa 1: Para la determinación de la biodegradabilidad de las aguas residuales industriales, se trabaja con un sistema de 6 mini-reactores de 0.35 L de volumen de operación, operados en forma batch. Un esquema de uno de estos reactores se muestra en la Figura 1. El procedimiento seguido para la operación de estos reactores es el siguiente: - Se introduce una cantidad de lodos microbianos, de tal manera que la concentración de éstos dentro de cada reactor sea de 3000 mg/l de sólidos suspendidos volátiles (SSV). - Se completa el volumen del reactor con la muestra de agua a tratar y se comienza la aireación. - Se inicia un control diario determinando DQO, ph y concentración de sólidos suspendidos, tanto los totales (SST) como los volátiles (SSV). - Finalmente, se detiene el ensayo cuando se logra una estabilización en la biodegradabilidad de la muestra.

5 Rejilla metálica Reactor de vidrio Difusor de aire Tapón de goma Manguera Aire Figura 1 Esquema de reactor aerobio utilizado en los ensayos de determinación de biodegradabilidad de las aguas. Etapa 2: Esta etapa de la investigación se desarrolla en una planta piloto de lodos activados confeccionada en acrílico transparente. Esta planta cuenta con un reactor aireado de 2,5 L y un sedimentador de 1,9 L.. Un esquema detallado se presenta en la figura 2. Para la operación de este equipo, se sigue el procedimiento descrito a continuación: - Se coloca una cantidad de lodos en el sedimentador que permita tener una concentración de éstos de aproximadamente 4000 mg/l de SSV en el sistema. - Se introducen 3 L de agua a tratar y se deja el equipo funcionando con recirculación constante durante dos días. - Posteriormente se inicia la alimentación de una muestra y se varía el tiempo de residencia hidráulico. - El control del funcionamiento de la planta piloto se basa en la medición diaria de DQO, ph, sólidos suspendidos totales y sólidos suspendidos volátiles. Etapa 3: Las pruebas realizadas durante esta etapa se llevan a cabo en una planta de lodos activados de capacidad 113 m 3 que posee una zona de aireación compuesta por cuatro piscinas y una zona de sedimentación con dos sedimentadores. En la figura 3 se muestra un esquema de la planta de lodos activados. Para la operación de la planta, se sigue el procedimiento descrito a continuación:

6 - Se alimenta una mezcla de residuos industriales y domésticos, con una baja proporción de los primeros (10%) para lograr la adaptación de los microorganismos. Esta etapa se prolonga durante dos semanas. - Se alimenta una mezcla de residuos industriales (40%) y domésticos (60%) con un TRH de 3 días, disminuyendo este valor hasta 2 días para una mezcla de 60% residuos industriales y 40% de residuos domésticos. - El control del funcionamiento de la planta se basa en la medición diaria de DQO, ph, oxígeno disuelto, sólidos suspendidos totales y sólidos suspendidos volátiles. Aire Aireador Manguera alimentación Efluente Difusores de aire Sedimentador Aire Tubos recirculación Purga de lodos Figura 2 Esquema de la planta piloto de lodos activados.

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8 Afluente Retorno de lodos Cámara sedimentación Aireador 1 Aireador 4 Sedimentador 1 Aireador 2 Aireador 3 Sedimentador 2 Cloración Decloración Efluente Zona de Aireación Zona de Sedimentación Figura 3 Esquema de la planta de lodos activados. RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS Etapa 1: En las figuras 4 y 5 se muestran los resultados obtenidos al tratar un residuo industrial, en cuanto a la biodegradabilidad y variación del ph. En ellas se puede observar que la biodegradabilidad máxima (90% en promedio) se logra a los cuatro días de operación. Al mismo tiempo, se logra una estabilidad en el ph en valores cercanos a 8,2. Se alimentó tres veces consecutivas con un agua de igual composición sobre los mismos lodos (ensayos 1,2 y 3) para determinar la adaptabilidad de éstos. Como se puede comprobar en ambas figuras, el comportamiento de los lodos demuestra que la adaptabilidad de ellos es inmediata. En las figuras 6 y 7 se muestra la curva de biodegradabilidad y de variación del ph obtenidas al tratar una mezcla de residuos industriales y agua doméstica. En ellas se puede observar que la biodegradabilidad máxima (89% en promedio) se logra a los cuatro días de operación. Al mismo tiempo, se logra una estabilidad en el ph en valores cercanos a 8,4.

9 De la misma forma que se hizo anteriormente, la mezcla tratada se alimentó tres veces consecutivas sobre los mismos lodos (ensayos 1,2 y 3) para determinar la adaptabilidad de éstos. Nuevamente se comprueba que los microorganismos se adaptan de manera inmediata a las distintas composiciones de las muestras. Muestra de Residuo Industrial. Biodegradabilidad [%] ensayo 1 ensayo 2 ensayo 3 Figura 4 Curvas de biodegradabilidad aerobia de una muestra de residuo industrial de DQO 4995 mgo 2 /L obtenidas en tres ensayos consecutivos, utilizando los mismos lodos microbianos. Muestra de residuo industrial. ph ensayo 1 ensayo 2 ensayo 3 Figura 5 Curvas de variación del ph de una muestra de residuo industrial de DQO 4995 mgo 2 /L obtenidas en tres ensayos consecutivos, utilizando los mismos lodos microbianos.

10 Biodegradabilidad [%] Mezcla residuo industrial (50%) y aguas cloacales (50%) ensayo 1 ensayo 2 ensayo 3 Figura 6 Curvas de biodegradabilidad aerobia de una mezcla de residuo industrial y aguas cloacales con DQO de la mezcla de 2614 mgo 2 /L obtenidas en tres ensayos consecutivos, utilizando los mismos lodos microbianos. ph Mezcla de residuo industrial (50%) y aguas cloacales (50%) ensayo 1 ensayo 2 ensayo 3 Figura 7 Curvas de variación del ph de una mezcla de residuo industrial y aguas cloacales obtenidas en tres ensayos consecutivos, utilizando los mismos lodos microbianos.

11 Etapa 2: En las figuras 8 y 9 se muestra la variación de la DQO y depuración logradas en la planta piloto, para distintos tipos de muestras y tiempos de retención hidráulicos. En ellas se puede observar que a partir del día 20, se logra operar en estado estacionario, manteniéndose la depuración en alrededor de 82% hasta el día 46. Posteriormente, se observa un decaimiento hasta valores de 72% con tiempo de retención hidráulico de 20 días. En la tabla 4, se indica la nomenclatura y períodos en que se utilizaron distintos tipos de alimentación a la planta. Tabla 4 Nomenclatura utilizada para las distintas mezclas alimentadas a la planta piloto. MA MB MC T12 T20 T28 T36 Período en que se alimenta agua doméstica Período en que se alimenta una mezcla de agua doméstica (50%) y residuos industriales (50%) Período en que se alimenta una mezcla de agua doméstica (20%) y residuos industriales (80%) Tiempo de residencia de 12 horas Tiempo de residencia de 20 horas Tiempo de residencia de 28 horas Tiempo de residencia de 36 horas DQO [mgo2/l] MA T36 MA T12 MB T36 DQO MC T36 MC T28 MC T20 DQO afluente DQO efluente Figura 8 Curva de variación de la DQO del afluente y del efluente durante la operación de la planta piloto. En la figura 10 se puede observar que el ph del efluente se mantiene prácticamente constante alrededor de 7, independiente del valor del ph del afluente y del comportamiento del reactor.

12 En cuanto a los lodos, en la figura 11 se observa que después del décimo día de operación de la planta hay un aumento sostenido. En estado estacionario la concentración de éstos debería ser relativamente constante, lo que no ocurre por problemas de operación en la purga de los lodos. Depuración Depuración [ % MA MA MB MC MC MC 0 T36 T12 T36 T36 T28 T Figura 9 Porcentaje de depuración obtenido durante la operación de la planta piloto. ph ph ph Afluente ph Efluente Figura 10 Variación del ph en el afluente y efluente durante la operación de la planta piloto. Etapa 3: En las figuras 12 y 13 se muestra la variación de la DQO y la depuración durante la operación de la planta de lodos activados. Se observa que entre los días 25 y 35 de la operación hay una brusca caída en los porcentajes de depuración, coincidente con un abrupto aumento del caudal de alimentación. Debido a la infraestructura disponible, no se pudo controlar adecuadamente los caudales de entrada al sistema, por lo que los resultados antes mencionados se deben a este problema. El resto del tiempo de operación se lograron depuraciones de hasta un 82%, salvo al final de ésta en donde hay una leve caída debido al menor tiempo de residencia hidráulico con que se trabajó.

13 SSV [mg/l] Sólidos Suspendidos Volátiles Figura 11 Variación de la concentración de sólidos suspendidos volátiles en el reactor durante la operación de la planta piloto. En la tabla 5, se indica la nomenclatura y períodos en que se utilizaron distintos tipos de alimentación a la planta. Tabla 5 Nomenclatura utilizada para las distintas mezclas alimentadas a la planta de lodos activados. T2 T3 Período en que se alimenta a la planta una mezcla de agua doméstica (40%) y residuos industriales (60%) con un TRH = 2 días. Período en que se alimenta a la planta una mezcla de agua doméstica (60%) y residuos industriales (40%) con un TRH = 3 días. DQO DQO [mgo2/l] T3 T2 T3 T DQO afluente DQO efluente Figura 12 Curva de variación de la DQO del afluente y del efluente durante la operación de la planta de lodos activados.

14 Depuración [%] Depuración Figura 13 Porcentaje de depuración obtenido durante la operación de la planta de lodos activados. 40 Caudal de RILES Caudal [m 3 /día] Figura 14 Caudales de alimentación de residuos industriales a la planta de lodos activados. Los problemas antes mencionados no interfieren en los valores de ph obtenidos. En la figura 15 se puede observar que este parámetro se mantiene prácticamente constante a lo largo de toda la operación de la planta.

15 ph ph ph afluente ph efluente Figura 15 Variación del ph en el afluente y efluente durante la operación de la planta de lodos activados. CONCLUSIONES y DISCUSIONES. Etapa 1. Se logró obtener biodegradabilidades para las aguas residuales industriales semejantes a las obtenidas para aguas domésticas, lo que puede ser indicativo de que los compuestos químicos presentes en los residuos son de fácil degradación y los que no lo son, están en concentraciones suficientemente bajas para no ocasionar inhibición de los microorganismos. Se pudo comprobar que los microorganismos aerobios utilizados en los ensayos presentan una adaptabilidad prácticamente inmediata a distintos tipos de muestras, sean éstas residuos industriales o mezclas con aguas domésticas, a pesar de la variabilidad en las características de éstas. Al lograr la máxima degradabilidad al cuarto día de operación, se puede estimar que el tiempo de retención hidráulico a aplicar en un sistema continuo para este tipo de aguas debe estar entre 1 y 4 días. Etapa 2. Se obtuvo reducciones en la DQO (depuración) del orden de un 80%, para todos las mezclas de residuos industriales y cloacales, a tiempos de retención hidráulicos entre 36 y 28 horas. Para un TRH de 20 horas, la depuración decae hasta un 70%, considerándose un valor deficiente para operar la planta. Ante cambios en la alimentación y manteniendo constante el TRH, se obtuvieron iguales porcentajes de depuración, lo que corrobora que los lodos tienen una buena y rápida adaptabilidad a los distintos sustratos. El ph del afluente varía entre 5,2 y 7. El ph más ácido no ocasionó problemas en el comportamiento de los microorganismos, lo que lleva a pensar en que las aguas dentro del reactor poseen una adecuada capacidad tampón. El funcionamiento de la planta con aguas cloacales no produce espuma, lo que sí ocurre cuando se incorporan los residuos industriales. Esto se evita con la adición de un antiespumante aplicado periódicamente.

16 Los resultados obtenidos durante la operación de esta planta piloto son similares en cuanto a los porcentajes de biodegradación obtenidos en la etapa 1, lo que permite reafirmar la factibilidad de co-tratar aguas residuales industriales y domésticas. Etapa 3 La disponibilidad de instalaciones necesarias para controlar exactamente los caudales de alimentación a la planta permiten tener solo un control relativo de los TRH con que se trabaja, lo que imposibilitó obtener mejores resultados. Para los dos tiempos de residencia hidráulicos probados se obtienen finalmente similares porcentajes de depuración promedio. Sin embargo, con un TRH de 3 días se asegura un funcionamiento eficiente y parejo de la planta, mientras que con un TRH de 2 días los resultados son menos estables y más sensibles a las variaciones de la alimentación. Al igual que para la planta piloto, la incorporación de residuos industriales a la alimentación produce la formación de espuma en la zona de aireación, lo que es controlado adicionando antiespumante a las piscinas. Los porcentajes de depuración logrados pueden eventualmente ser mejorados si se empleara un sistema de acumulación de las aguas que se alimentan a la planta para evitar las bruscas fluctuaciones que se tienen. Además, un cambio en las condiciones de operación puede ser positivo en el sentido de mejorar la depuración que se logra con la planta de lodos activados. La diversidad de productos que se producen en la empresa donde se realizó la investigación implica que los residuos líquidos tienen también una composición muy variada. Esto podría perjudicar su tratamiento en una planta biológica; sin embargo, se pudo comprobar que a pesar de esto, el tratamiento con lodos activados arroja buenos resultados. Basándose en ellos, se puede asegurar que el co-tratamiento aerobio de aguas residuales industriales y domésticas es perfectamente factible de realizar en un sistema de lodos activados, no sólo para los residuos de la empresa estudiada, sino que se puede extender a otro tipo de industria. Se recomienda eso sí, realizar estudios de tratabilidad de los residuos industriales en sistemas similares a los utilizados en las etapas 1 y 2 de este trabajo. También es recomendable realizar estudios de toxicidad de las aguas, si se tiene la certeza de la presencia de compuestos químicos tóxicos para la población microbiana.