Afectaciones en los parámetros que caracterizan el consumo de oxígeno en el proceso de lodos activados por la presencia de iones cloruros

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1 INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXIII, No. 3, 22 Afectaciones en los parámetros que caracterizan el consumo de oxígeno en el proceso de lodos activados por la presencia de iones cloruros INTRODUCCIÓN El proceso de lodos activados aplicado en el tratamiento de aguas residuales opera por la acción de un cultivo mixto de microorganismos capaz de estabilizar aeróbicamente el residual, utilizando como sustrato los compuestos orgánicos contenidos en este. Debido al metabolismo aeróbico de las bacterias presentes en el proceso, debe garantizarse que la concentración de oxígeno disuelto en el reactor sea en todo momento superior a 2 mg L - de manera que la velocidad de las reacciones metabólicas no se vea limitada. 2 El requerimiento de oxígeno para un sistema de tratamiento biológico aeróbico viene dado por: 3 El consumo de oxígeno que representa la oxidación biológica de las sustancias orgánicas presentes en el residual a tratar. El consumo debido a la autooxidación del material celular. Es generalmente asumido, que la velocidad de consumo de oxígeno en los sistemas de biomasa en suspensión pueda representarse por la ecuación empírica. 2 r x = Y' \ B x + b...() siendo: r x = r/x donde: r: Velocidad de consumo de oxígeno (kg de oxígeno consumido m -3 d - ) X: Concentración de sólidos suspendidos volátiles en el reactor (kg m -3 ). r x : Velocidad específica de consumo de oxígeno(kg de oxígeno consumido kg SSV - d - ). Y': Coeficiente de consumo de oxígeno (kg de oxígeno consumido kg de DQO removida - ). Resumen / Abstract Los procesos de lodos activados que se aplican en el tratamiento de aguas residuales basan su funcionamiento en la oxidación biológica de la materia orgánica presente en el residual por bacterias aerobias. Es por esto que uno de los requerimientos más importantes para la operación satisfactoria de este proceso es mantener la concentración de oxígeno disuelto por encima de 2 mg L. Con el objetivo de estudiar la influencia de la concentración de iones cloruro en los parámetros que caracterizan el consumo de oxígeno en un proceso de lodos activados se llevó a cabo una experiencia en la que se varió la edad de lodo (5, y 5 días) utilizando concentraciones de iones cloruro de, 5, y 5 mg L -.Los resultados muestran que al aumentar la concentración de iones cloruro tanto la velocidad específica de consumo de oxígeno como el coeficiente de respiración endógena aumentan mientras que el coeficiente de consumo de oxígeno permanece constante. Palabras clave: lodos activados, velocidad específica de consumo de oxígeno, coeficiente de respiración endógena, y coeficiente de consumo de oxígeno Activated sludge process are one of the most aerobic systems used at wastewater treatment. The aerobic microorganisms contained at the mixing liquor oxidize the organic matter present at the wastewater, that s why is very important to keep dissolved oxygen concentration over 2 mg L -. In order to know how the chloride concentration affects the principal parameters of oxygen consumption, a experience was carried out at 3 sludge ages: 5, and 5 days, with chloride concentrations of, 5, and 5 mg L -.The results show that while the specific velocity of oxygen consumption and the endogenous respiration coefficient raise with the increment of chloride concentration, the oxygen consumption coefficient remains constant. Key words: activated sludge, specific velocity of oxygen consumption, endogenous respiration coefficient, and oxygen consumption coefficient. Miguel A. Díaz Marrero, Máster en Ciencias, Ingeniero Químico, Profesor Auxiliar, Centro de Ingeniería de Proceso (CIPRO), Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (CUJAE) migueld@química.ispjae.edu.cu María A. Montesino Menéndez, Máster en Ciencias, Ingeniero Química, Profesora Asistente, Dpto. Fundamentos Químicos y Biológicos. Facultad de Ingeniería Química, CUJAE, Ciudad de La Habana marian@quimica.ispjae.edu.cu 3

2 DB x :Remoción específica o razón de carga de lodo (kg DQO removida kg SSV - d - ) b: Coeficiente de respiración endógena (kg de oxígeno consumido kg SSV - d - ). De lo anterior se deduce que el primer término a la derecha en la ecuación () corresponde al oxígeno consumido en la oxidación biológica de la materia orgánica y el segundo al consumido en el proceso de respiración endógena de la biomasa. La determinación de los coeficientes Y' y b se llevó a cabo a partir de pruebas respirométricas en las que se determina experimentalmente el valor de r obtenido de la pendiente de la curva de oxígeno disuelto contra tiempo, tomando como base una muestra del licor mezclado previamente aerada y a la cual se le determina la concentración de biomasa. Con ambos valores se calcula el valor de la velocidad específica de consumo de oxígeno (rx) y a partir de esta y conociendo la remoción específica DQO (DBx) se construye el gráfico de rx vs DB x, lo que da como resultado una línea recta de la cual Y' es la pendiente y b el intercepto en el eje de las ordenadas. El objetivo del presente trabajo es mostrar los resultados obtenidos al estudiar la influencia de diferentes concentraciones de iones cloruro en los parámetros involucrados en el consumo de oxígeno en un proceso de lodos activados. MATERIALES Y MÉTODOS El proceso de lodos activados se llevó a cabo en tres reactores que operaban simultáneamente a edades de lodo de 5, y 5 días, alimentados de forma continua con un flujo promedio de 4,65 Ld - lo que garantizó un tiempo de retención hidráulico de,75 d en cada uno. La agitación y aeración del sistema de tratamiento se garantizó con el empleo de difusores de vidrio poroso introducidos en el tanque de aeración. El aire suministrado al proceso así como el necesario para el retorno de los lodos se mantuvo mediante un compresor acoplado al sistema. El residual a tratar se preparó en el laboratorio a partir de extracto de levadura con una concentración entre 8 y 9 mg L - medidos como DQO. Para conocer la influencia de la concentración de los iones cloruro en los parámetros involucrados en el consumo de oxígeno se realizaron cuatro corridas experimentales en la que se varió dicha concentración a partir de una solución saturada de cloruro de sodio. Estas fueron:, 5, y 5 mg L -. Las pruebas respirométricas realizadas, así como la determinación de la DQO en la alimentación y el efluente de cada reactor (So y Se respectivamente) y la concentración de SSV en el licor mezclado, se realizaron una vez alcanzado el estado estacionario en el sistema. Todas las determinaciones se realizaron según las técnicas Standard. 4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Los resultados alcanzados en la determinación de la velocidad de consumo de oxígeno, a partir de las pruebas respirométricas realizadas para las diferentes concentraciones de iones cloruros, se muestran en las figuras de la a la 4. ρ(cl - ) = mg L - c(od) (mg L - ) t (min) 5 5 6,5 6,5 6,5 6, 5,9 5,9 2 5,7 5,3 5,3 3 5,2 4,8 4,7 4 4,8 4,3 4, 5 4,3 3,8 3,5 6 3,9 3,3 2,9 7 3,5 2,8 2,3 8 3,2 2,3,8 FIG. Determinación de la velocidad de consumo de oxígeno para las tres edades de lodo sin presencia de iones cloruro. 9 2,8,8,2 2,4,3 4

3 8 OD ρ(cl - ) = 5 mg L - c(od) (mg L - ) y = -,469 x + 6,963 6 R 2 =,997 y = -,54 5x + 6,94 9 R 2 =,998 8 y = -,683 3x + 7,4 7 R 2 =, días días 5 días FIG 2. Determinación de la velocidad de consumo de oxígeno para las tres edades de lodo, y concentración de 5 mg L - de iones cloruro. t t (min) ,6 6,4 6,4 2 6, 5,9 5,7 3 5,5 5, ,9 4,3 5 4,5 4,4 3,6 6 4, 3,9 2,9 7 3,6 3,5 2,3 8 3, ,8 2,4 2,4, OD y = -,34 8x + 7,9 R 2 =,999 4 R 2 =,995 6 y = -,439x + 7,45 5 R 2 =, t 5 días días 5 días ρ(cl - ) = mg L - c(od) (mg L - ) t (min ,7 6,5 6,5 2 6,3 6,2 6, 3 6 5,8 5,5 4 5,6 5,4 5, 5 5,3 5, 4, ,5 3,9 7 4,6 4 3,4 8 4,3 3,6 2,9 FIG 3. Determinación de la velocidad de consumo de oxígeno para las tres edades de lodo, y concentración de mg L - de iones cloruro. 9 3,9 3, 2,4 3,6 2,7,9 5

4 8 7 6 OD y = -,39x + 7,74 4 R 2 =,998 8 ρ (Cl - ) = 5 mg L - c(od) (mg L - ) t (min 5 5 7, 7, 7, 6,8 6,8 6, y = -,425 9x + 7,52 4 R 2 =, y = -,386 3x + 7,29 3 R 2 =,997 8 t 5 días dias 5 días 2 6,5 6,4 6,3 3 6, 5,9 5,9 4 5,8 5,6 5,4 5 5,5 5, ,2 4,8 4,6 7 4,9 4,4 4, 8 4,6 4 3,7 9 4,4 3,6 3,3 4 3,3 2,9 FIG 4. Determinación de la velocidad de consumo de oxígeno para las tres edades de lodo, y concentración de 5 mg L - de iones cloruro. 3,7 2,9 2,5 2 3,3 2,6 2, 3 3 2,4,8 De la pendiente de cada una de las rectas de las figuras se obtiene la velocidad de consumo de oxígeno (r ) y con el valor de la concentración de SSV determinada a la muestra del licor mezclado sometida a la prueba, se determina la velocidad específica de consumo de oxígeno. Estos valores así como la remoción específica para cada condición de trabajo se reportan en las tablas a la 4. Como se observa, los valores de velocidad específica de consumo de oxígeno disminuyen al aumentar la edad de lodo ya que al hacerse el lodo más viejo disminuye también la fracción activa de biomasa presente en él. Al analizar la variación de este parámetro para una misma edad de lodo y las diferentes dosis de cloruro, se aprecia que el mismo aumenta al disminuir la concentración de SSV presente en el sistema, llegando a obtenerse valores que representan el doble de los obtenidos cuando no está presente el ion. Tabla Valores obtenidos en ausencia de iones cloruro ρ (Cl - ) = mg L - m -3 d - ) rx (kg O 2 kg SSV d - ) Bx (kg DQO remov kg SSV - d - ) 5,92,596,545,87,5,738,492,6 5 2,456,85,346,376 6

5 Tabla 2 Valores obtenidos para concentración de iones cloruro de 5 mg/l ρ (Cl - ) = 5 mg L - m -3 d - ) r x (kg O 2 kg SSV d - ) Bx (kg DQO remov kg SSV - d - ) 5,82,675,824,26,266,726,574,742 5,85,992,536,538 Tabla 3 Valores obtenidos para concentarción de iones cloruro de mg/l ρ (Cl - ) = mg L - m -3 d - ) r x (kg O 2 kg SSVd - ) Bx (kg DQO remov kg SSV - d - ) 5,49,492,2,455,828,62,749,99 5,4,743,669,687 Tabla 4 Valores obtenidos para concentración de iones cloruro de 5 mg/l r (Cl - ) = 5 mg L - m -3 d - ) r x (kg O 2 kg SSV d - ) Bx (kg DQO remov kg SSV - d - ) 5,45,54,2,748,692,69,997,38 5,845,76,899,87 Para conocer la influencia de la concentración de iones cloruro en el valor del coeficiente de consumo de oxígeno (Y') y de respiración endógena (b), se correlacionaron los valores obtenidos de velocidad específica de consumo de oxígeno (r x ) y la remoción específica ( Bx) según se describe en la ecuación (). En la figura 5 se muestra el resultado de dicha correlación para cada concentración de cloruro utilizada. Los valores de ambos parámetros se dan en la tabla 5. 7

6 ,6,4,2,8,6,4,2 y =,456 2x +,42 R 2 =,999 9 y =,464 6x +,84 7 R 2 =,9444 y =,44 3x +,357 4 R 2 =,995 6 y =,45x +,27 5 R 2 =,966 4 mg L - 5 mg L - mg L - 5 mg L - Tabla 5 Valores de los coeficientes de consumo de oxígeno y de respiración endógena para las diferentes concentraciones de cloruro ρ(cl - ) (mg L - ) Y' (kg O 2 consumido kg DQO removida - ) b (kg O 2 consumido kg SSV - d - ),464 6,84 7,5,5 2 2,5 FIG. 5 Determinación del coeficiente de consumo de oxigeno y de respiración endógena para las diferentes concentraciones y iones cloruro. 5,449,272 5,439 7, ,456 2,42 Como puede apreciarse el coeficiente de consumo de oxígeno no presenta variaciones significativas al incrementarse el contenido de iones cloruro, lo cual es lógico si se tiene en cuenta que este coeficiente está relacionado con el oxígeno requerido para degradar una unidad de materia orgánica presente en el residual a tratar y como se sabe este fue siempre preparado con el mismo sustrato. Este comportamiento no se observa en el coeficiente de respiración endógena, el mismo se afecta significativamente con el aumento de la concentración de iones cloruro, obteniéndose para la mayor dosis, un valor más de dos veces superior al obtenido cuando no está presente el ion. Esto último es lo que explica que para una misma edad de lodo cuando se aumenta la concentración de iones cloruro, se incrementa la velocidad específica de consumo de oxígeno. CONCLUSIONES A partir de los resultados puede concluirse que para las condiciones en las que se trabajó se produce un aumento en la velocidad de consumo de oxígeno al incrementarse la edad de lodo mientras que la velocidad específica de consumo de oxígeno disminuye. Al aumentar la concentración de iones cloruro en el sistema, para las tres edades de lodo con las que se trabajó la velocidad específica de consumo de oxígeno aumenta al igual que el coeficiente de respiración endógena, mientras que el coeficiente de consumo de oxígeno permanece constante. REFERENCIAS. METCALF AND EDDY: Ingeniería de aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. t. I, MENÉNDEZ, C. Y J. PÉREZ: Procesos para el tratamiento biológico de aguas residuales industriales, ISPJAE, RAMALHO, R. S.: Tratamiento de aguas residuales, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, Recibido: noviembre del 2 Aprobado: marzo del 22