XV CONGRESO DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL AIDIS CHILE. Concepción, Octubre de 2003

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1 XV CONGRESO DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL AIDIS CHILE Concepción, Octubre de 2003 DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS BIOCINÉTICOS DE UN SISTEMA LODO ACTIVADO CONVENCIONAL PARA LOS RESIDUOS INDUSTRIALES LÍQUIDOS DE UNA EMPRESA DE FABRICACIÓN DE MERMELADAS Pablo Andrés Lecaros Meza*, Carmen Verónica Droppelmann Cuneo*, Miguel Mardones** y Nehemias Barria** *Universidad Viña del Mar Diego Portales90 **INTEC RESUMEN Para un buen dimensionamiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales, resulta muy útil determinar previamente los parámetros biocinéticos o de tratabilidad del RIL. En este trabajo se determinaron los parámetros biocinéticos apropiados para el diseño y operación de un sistema de Lodos Activado Convencional que tratará las aguas residuales de una PYME que fabrica mermeladas. El estudio se realizó en un sistema de Lodos Activados a escala de laboratorio (11 L), en los que se operó a distintos factores de carga: 0.4, 0.6, 0.8 y 1 d -1. De acuerdo al comportamiento del lodo (IVL, VSZ) y al nivel de remoción obtenida, se estableció que el factor de carga adecuado se encuentra entre 0.4 y 0.6 d -1. A partir de los datos obtenidos se determino para el modelo de Monod un k de d -1 y un K s de mg/l, Se verificó además que el modelo Stover/Kincannon presenta incoherencias.

2 XV CONGRESO DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL AIDIS CHILE Concepción, Octubre de 2003 DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS BIOCINÉTICOS DE UN SISTEMA LODO ACTIVADO CONVENCIONAL PARA LOS RESIDUOS INDUSTRIALES LÍQUIDOS DE UNA EMPRESA DE FABRICACIÓN DE MERMELADAS Pablo Andrés Lecaros Meza*, Carmen Verónica Droppelmann Cuneo*, Miguel Mardones** y Nehemias Barria** *Universidad Viña del Mar Diego Portales90 **INTEC INTRODUCCION Para comprender la cinética con que los microorganismos degradan la materia orgánica, se han propuesto una serie de modelos matemáticos que explican en forma genérica la cinética del lodo en el proceso de estabilización de la materia orgánica. Dos de estos modelos son: Modelo Cinético de Orden variable o Monod, y Modelo de Stover/Kincannon. Ambos modelos se presentan a continuación: a. Modelo de Orden variable o Monod So X S θ = k K S S s + donde: So = Concentración de materia orgánica afluente al sistema, mg/l S = Concentración de material orgánica efluente al sistema, mg/l X = Concentración de lodo en el tanque reactor, mg/l θ = Tiempo de Residencia Hidráulico, día (d) k = Tasa máxima de utilización de substrato, d -1 K s = Constante de afinidad o concentración de substrato a la mitad de la máxima tasa de crecimiento, mg/l

3 b. Modelo de Stover/Kincannon donde: ( S) k[ ( Q So) ( X V )] = V X K + [( Q So) ( X V )] Q So V = Volumen del tanque reactor, L Q = Caudal afluente al sistema, L/d k = Velocidad específica de consumo de substrato, d -1 K B = Constante de proporcionalidad, d -1 B Es posible encontrar en la literatura valores para los parámetros biocinéticos de estos modelos, con la desventaja de que suelen presentar un rango muy amplio, limitando su utilización para un diseño adecuado. Una de las formas de asegurar un buen diseño de una planta, es determinar el modelo y los valores de los parámetros a partir de datos empíricos obtenidos en trabajos con reactores biológicos escala laboratorio. El objetivo de esta investigación fue determinar parámetros biocinéticos para un sistema Lodo Activado Convencional, utilizando datos empíricos obtenidos durante la operación, en estado de equilibrio, de bioreactores a escala laboratorio al utilizar los RILES de una industria de fabricación de mermeladas. MATERIALES Y MÉTODOS Este experimento se llevó a cabo en la Unidad de Desarrollo Tecnológico Industrial, perteneciente a la Corporación de Investigación Tecnológica, INTEC. Se construyeron dos bioreactores (BR) siguiendo el modelo propuesto por Martínez A El equipo, construido en acrílico transparente, consta de una cámara rectangular de 7 L (Tanque Reactor) y una cámara con pendiente lateral de 4 L (Tanque Sedimentador), ambos separados por una mampara deslizable. La mampara deslizable permite dejar una abertura transversal en el fondo del BR, logrando la recirculación del lodo desde la cámara de sedimentación hasta la cámara aireada, favorecido por una fuerza de empuje que ejerce el peso del lodo que decanta en el sedimentador.

4 La alimentación del RIL a los BR fue realizada por dos bombas peristálticas, una con revolución variable y otra fija. Las mangueras fueron cambiadas de posición tres veces por semana para mantener un flujo constante. La oxigenación se realizó con un compresor de 3 HP con estanque de 220 L y un difusor por cada BR, ambos construidos de tubos de PVC perforados con una broca de 0.3 mm. El flujo de aire se controló mediante un rotámetro con rango entre 2 20 SCFH. Para ambos BR, se determinó el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (K L a), asegurándose así que los difusores fuesen capaces de entregar el oxígeno teórico demandado durante la etapa de operación de éstos. El RIL se acondicionó en cada recambio, manteniendo una relación DBO 5 /N/P de 100/5/1 y un ph cercano a 7.5. El RIL se renovó con una frecuencia entre 3 a 4 días para mantener una alimentación fresca. En cada recambió se realizaron los análisis de ph, DQO, NTK y PO 4. Se agregó sulfato de amonio y fosfato de potasio de manera de llegar a la relación DBO 5 /N/P deseada. El RIL se almacenó en un tanque de 200 L con agitación ininterrumpida proporcionada por un agitador mecánico de 0.1 HP. En este estanque se realizaba la neutralización manual del RIL para mantener los niveles de ph dentro de un rango entre 7 8. En laboratorio, se determinó que la relación DBO 5 /DQO para el RIL es cercana a 0.8 Antes de la operación de los BR, se realizó una aclimatación del lodo biológico en el RIL estudiado. Para ello, se inocularon los BR con lodo proveniente de una planta de tratamiento de lodos activado en óptima operación, obteniendo una concentración de 2 g/l. Se operaron los sistemas alimentándolos con RIL acondicionado con caudales de 0.5 L/h y 0.3 L/h, durante un periodo de siete días. Al finalizar este periodo se comenzó inmediatamente con la operación de los BR. La concentración del lodo se midió a través del análisis de Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV). La operación de los dos BR se realizó en dos etapas consecutivas, con el fin de obtener datos en cuatro estados de equilibrio operando con diferentes niveles de relación F/M. Los parámetros de operación definidos fueron los siguientes:

5 Tabla N 1: Parámetros de operación de bioreactores a distintos rangos de F/M. Etapa BR Caudal de Concentración del Materia orgánica de TRH* entrada lodo entrada θ (d) Q a (L/d) X (mg/l) DQO (mg/l) F/M (d -1 )** I BR BR II BR BR * Tiempo de residencia hidráulico ** Factor de carga Para llevar un buen control sobre la operación de los BR, se realizó un monitoreo semanal del RIL, de los BR y del líquido tratado. Todos los análisis se efectuaron siguiendo las metodologías propuestas por el Stándard Methods for the Examination the Water and Wastewater, 19th Edition. En estado de equilibrio, se determinó además el Índice Volumétrico del Lodo (IVL) y la Velocidad de Sedimentación Zonal (VSZ). El estado de equilibrio se determinó en el momento en que el porcentaje de remoción se mantuvo constante. Con los datos obtenidos en estado de equilibrio, se compararon los modelos matemáticos de monod y de Stover/kinacannon. El valor de los parámetros biocinéticos se determinó mediante minimización del error cuadrático medio. RESULTADOS En la Figura N 1 se muestra el sistema de bioreactores escala laboratorio construido para llevar a cabo el estudio: Figura N 1: Sistema de Bioreactores Escala Laboratorio

6 Los valores de los parámetros de control de los sistemas se muestran en la Tabla N 2. Tabla N 2: Promedio de los parámetros operacionales en la etapa de operación de los BR. Parámetros Etapa I Etapa II F/M 0.4 F/M 0.6 F/M 0.8 F/M 1.0 ph BR 7.4 ± ± ± ± 0.4 ph RIL 7.7 ± ± ± ± 0.9 O.D. (mg/l) 5.5 ± ± ± ± 0.7 Temperatura ( C) 15.9 ± ± ± ± 1.2 Q a (L/h) 0.47 ± ± ± ± 0.06 X (mg/l) ± ± ± ± So (mg/l) ± ± ± ± 74.6 S (mg/l) 31.4 ± ± ± ± 32.1 F/M (d -1 ) 0.41 ± ± ± ± 0.13 % Remoción de la DBO ± ± ± ± 2.6 La remoción en función a F/M se grafica en la Figura N 2. Las características del lodo, expresadas sobre el IVL y VSZ, se muestran en el Figura N Remoción de materia orgánica en función a la relación F/M Remoción (%) F/M (1/d) Figura N 2: Remoción de materia Orgánica en función al F/M.

7 Relación FM/IVL/VSZ IVL (ml/g) VSZ (ml/min) IVL (ml/g) VSZ (ml/min) FM (1/d) Figura N 3: Relación del IVL y VSZ a distintos niveles de F/M. Los valores promedios obtenidos en la etapa de equilibrio se muestran en la Tabla N 3. Con estos valores se graficaron los modelos linealizados, los cuales se presentan en las Figuras N 4 y N 5. En la Tabla N 4 se muestran los valores de los parámetros biocinéticos, para ambos modelos, con y sin minimización del error. Tabla N 3: Parámetros de operación en estado de equilibrio. Etapa V (L) Q (L/d) X (mg/l) So (mg/l) S (mg/l) Remoción % I II

8 Modelo Cinético de Orden Variable o Monod XV/Q(So-S) y = x R 2 = /S Figura N 4: Modelo de Monod Linealizado Modelo Stover/Kincannon 4 3 XV/Q(So-S) y = x R 2 = XV/QS Figura N 5: Modelos de Stover/kincannon linealizado Tabla N 4: Parámetros Biocinéticos de los modelos estudiados, sin y con minimización del error cuadrático. Modelo Sin Minimización del Error Con Minimización del Error Monod Stover/Kincannon k = d -1 K s = mg/l k = d -1 K B = d -1 k = d -1 K s = mg/l -1 k = d K B = d -1

9 DISCUSION Y CONCLUSIONES Los niveles de los parámetros de operación se mantuvieron dentro de los rangos establecidos en el modelo experimental. El ph del RIL es el parámetro que tuvo mayor variación, producto de una constante acidificación de éste, la que fue controlada mediante la adición de hidróxido de Sodio. El gráfico de la Figura N 3 muestra que el lodo biológico, operando con niveles de F/M entre 0.4 y 0.6 d -1, presenta buenas características de sedimentación, además, que en estos márgenes de operación, el porcentaje de remoción de la DBO 5 fluctuó entre un 98 y 97%. Por lo anterior, podemos concluir, con amplia seguridad, que el factor de carga para el tratamiento del RIL estudiado con un lodo activado (SLA) convencional, fluctúa entre 0.4 y 0.6 d -1, valor reportado en la literatura para estos tipos de RILES. Para niveles F/M entre 0.8 y 1.0 d -1, el porcentaje de remoción se mantuvo entre 94.7 y 86.8 % respectivamente, a pesar de las malas características del lodo. En el gráfico de la Figura N 2 se muestra como fue disminuyendo el porcentaje de estabilización de la materia orgánica a medida que el F/M se acercaba a 1. El modelo que mejor representa la cinética de estabilización de la materia orgánica bajo las condiciones de un SLA convencional, es el modelo de Cinética de Monod. El modelo de Stover/Kincannon presenta una pendiente prácticamente igual a 1, debido a que los valores de X e Y, en la gráfica, son prácticamente los mismos. La diferencia radica en que el valor de la ordenada está dividido por (So S), del cual S tiende a cero. Al despreciar este valor (S), tanto la absisa como la ordenada adquieren el mismo término y por ello la ecuación adopta una pendiente de 1 y el intercepto con el eje Y, igual al 0. Esto demuestra que el modelo presenta incoherencias para entregar parámetros para la estabilización de distintos tipos de RILES, puesto que no hay distinción entre parámetros para RILES más difícil de tratar, y para aquellos que contienen compuestos fácilmente biodegradables. Por lo tanto, el modelo de Monod representa mejor la cinética de estabilización de la materia orgánica presente en los RILES de la empresa de Fabricación de mermeladas. BIBLIOGRAFÍA

10 Ramalho, R. S. Tratamiento de aguas residuales. Editorial Reverté, S. A. 705 páginas ( ) Winkler. Tratamiento biológico de aguas de desecho. Editorial Limusa. 338 páginas (87 160) Martinez, S. Parámetros de diseño de sistemas de tratamiento de aguas residuales. Sans Serf Editores. 77 (41 54) Metcaf & Eddy. Ingeniería de aguas residuales. Tratamiento, disposición, y reuso. 3ª. Edición., McGraw-Hill. ( ) Stover, E. L. Lodos Activados: Diseño y control operacional del proceso. Stover & Associates, Inc. 10 páginas Stover, E. L. Biological treatment kinetics of alcohol production wastewaters. Presentado en Winter Meeting of American Society of Agricultural Engieneers, Chicago, Illinois, EE.UU. (Diciembre 14 17, 1982) Finamore, Carolina. Constantes Cinéticas en un Sistema de Lodos Activos Escala Laboratorio [en línea]. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria. En: XXVII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. < [consulta: 30 mar. 2002] Viana, Francisco Javier. Calidad de la Depuración. Usos Alternativos del Agua [en línea]. En: Uso eficaz y eficiente del Agua (2000: Ontinyent, España). Jornadas del Agua en la Comarca de la Vall d Albaida (23 y 24 de Junio, 2000) < [consulta: 20 mar. 2002] APHA-AWWA-WEF. Stándard Methods for the Examination the Water and Wastewater, 19th Edition. Washington