ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO Y FÓSFORO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS

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1 ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO Y FÓSFORO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS Carmen H. Cárdenas de Flores: Ingeniera Química, Universidad del Zulia (LUZ) Maestría en Ingeniería Ambiental (LUZ) Especialista en el área de tratamiento de Aguas Residuales. Profesora titular de la Escuela de Ingeniería Química de LUZ. Directora del Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia desde Tomás Perruolo: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia. Yolima Tärre: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia. Keillen Flores: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia. Alberto Trujillo: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia. Daysi Isea: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia. José Delgado: Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia. Centro de Investigación del Agua Ciudad Universitaria, Lagunas de Oxidación. Maracaibo Venezuela. Teléfonos: ( ) (Fax) (Oficina) - Apartado 98, yabroudic@yahoo.com, chcarden@luz.ve RESUMEN Se estudió la remoción biológica de nutrientes en el tratamiento de agua residual doméstica utilizando un Reactor Discontinuo Secuencial (SBR) a escala piloto, con un volumen de 2000 litros. Los ciclos de operación del reactor consistían en una secuencia de etapas de llenado, mezcla anaerobia, mezcla aerobia, mezcla anóxica, sedimentación y vaciado. Se variaron los tiempos de las etapas de mezcla anaerobia, mezcla aerobia y mezcla anóxica a fin de determinar la influencia de la duración de estas etapas en la remoción de nutrientes. Los parámetros medidos fueron Demanda Química de Oxígeno (DQO), Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK), Nitrógeno en forma de Nitrito (N-NO2 -) y Nitrato (N-NO3 -), Nitrógeno Amoniacal (N- NH3), ph, Temperatura, Fósforo Total (P), Sólidos Suspendidos Totales (SST) y Volátiles (SSV), en las diferentes etapas de cada ciclo de evaluación. Se obtuvo como resultado que el ciclo que mostró mejor rendimiento fue el que constaba de 1 hora de mezcla anaerobia, 6 horas de mezcla aerobia y 16 horas de mezcla anóxica, para el cual se obtuvo valores de remoción promedios de 85% para la DQO, 92% para la DBO, 52% para el NT, 65% para el N-NO3 - y 67% para el Fósforo Total, demostrándose la gran utilidad y aplicabilidad de los SBR en la efectiva remoción de materia orgánica y nutrientes del agua residual doméstica. Palabras Claves: reactor discontinuo secuencial, nitrificación/desnitrificación, remoción biológica de fósforo. INTRODUCCIÓN El nitrógeno y el fósforo son los principales nutrientes de importancia en el vertido de aguas residuales tratadas. Los vertidos que contienen nitrógeno y fósforo pueden acelerar

2 la eutroficación de lagos, ríos y embalses, y estimular el crecimiento de algas y plantas acuáticas arraigadas a cursos de agua poco profundos. La elevada concentración de nitrógeno amoniacal en efluentes tratados también puede tener otros efectos negativos, como son la reducción de la concentración de oxígeno disuelto en las aguas receptoras y toxicidad para la vida acuática. En esta investigación se estudió la remoción biológica de nutrientes utilizando un reactor discontinuo secuencial (SBR) a escala piloto, de dos mil litros. Un SBR es un sistema de tratamiento biológico de aguas residuales basado en el principio de los procesos de lodos activados. Comparado con los tratamientos continuos de aguas residuales, es un sistema relativamente simple y compacto, ya que todos los procesos tienen lugar en el mismo reactor. Los SBRs pueden ser usados para remover materia orgánica y nutrientes del agua residual, pueden tratar grandes flujos y cargas al igual que las plantas de tratamiento continuo de agua residual, por lo tanto, representan una alternativa eficiente, económica y muy flexible en el tratamiento de agua residual, tanto doméstica como industrial, siendo posible su instalación en comunidades donde la instalación de plantas convencionales resulta costosa (Herrera, 1987; García, 1987; Brener et al., 1992). En el proceso de tratamiento se utilizó agua residual doméstica real, proveniente de la región norte de la ciudad de Maracaibo, lo que constituye un aporte importante, dado que permite evaluar las respuestas del tratamiento ante entradas de carga variable. El objetivo de esta investigación es optimizar los procesos de eliminación de nutrientes en el tratamiento de agua residual doméstica, utilizando un reactor discontinuo secuencial (SBR). Para el alcance de este objetivo, se estudió la influencia del tiempo de duración de las etapas de mezcla anaerobia, mezcla aerobia y mezcla anóxica en los procesos de remoción de nutrientes, se evaluó el desarrollo de los procesos de eliminación de nitrógeno y fósforo durante cada etapa del tratamiento y la eficiencia de remoción de nutrientes. METODOLOGÍA Características del Reactor El reactor consiste en una cuba cilíndrica de fibra de vidrio de 1,97 m de altura y 1,20 m de diámetro con una capacidad de 2000 L. Consta de un arreglo de válvulas de bronce tipo bola, dispuestas a diferentes alturas del tanque reactor. Una al 50% y otra al 30% de la altura, con diámetros de 1 y ¾ respectivamente, con la finalidad de descargar el agua tratada. Está dotado de un sistema de bombeo que consiste en una bomba centrífuga de 1 HP y una tubería de PVC de ½ de diámetro. De un sistema de aireación que está constituido por un compresor de 2 HP, conectado a un sistema de difusión de aire, que consiste en un arreglo de tuberías de PVC de ½, perforadas y dispuestas en forma de cruces. Además, de un sistema de mezclado que consta de un mezclador de acero inoxidable, cuyo eje mide 1 m, y está provisto con una hélice de tres hojas, conectado a un motor bifásico, de 110 V, 0,5 HP y 1350 rpm.

3 El proceso de tratamiento de agua residual en el reactor discontinuo secuencial estudiado, está constituido por las siguientes etapas: a. Etapa de llenado o alimentación: durante esta etapa se carga el reactor con agua residual doméstica. b. Mezcla anaerobia: durante esta etapa se mezcla el agua residual cargada en el reactor con el lodo, sin suministrar aire al sistema. c. Etapa de aireación: durante esta etapa se inyecta aire al sistema. El aire suministrado proporciona un mezclado entre el agua y el lodo. d. Mezcla anóxica: durante esta etapa se realiza un proceso de mezclado, sin proporcionar aire al sistema. e. Etapa de sedimentación: en esta etapa el lodo sedimenta por acción de la gravedad y se separa del agua residual tratada, obteniéndose un sobrenadante clarificado. f. Etapa de vaciado: durante esta etapa se retira el agua residual tratada (sobrenadante), a través del sistema de descarga. Durante la investigación se trabajó con una edad de lodo de 20 días. Definición de los Ciclos de Operación del Reactor En el estudio se variaron los tiempos de las etapas de mezcla anaerobia, mezcla aerobia y mezcla anóxica, con la finalidad de determinar la influencia de la duración de estas etapas en la remoción de nutrientes. Tabla 1. Tipos de ciclos estudiados Duración de las etapas (h) Tipo de ciclo M. anaerobia M. aerobia M. Anóxica A B C RESULTADOS Tabla 2. Resultados de la evaluación del reactor discontinuo secuencial en cada ciclo estudiado Parámetro (mg/l) Ciclo Etapa PT NTK NH3 NNO2 - NNO3 - NT DBO5-20 DQO OD SST SSV Llenado 7,47 25,65 22,91 0,04 0,121 25, Anaerobia 8, Aerobia 6,65 1,14 0 0,005 21,02 22, , A Salida 6,20 0, ,24 21, %Remoción Llenado 9,30 28,73 23,70 0,033 0,096 28, Anaerobia 9, Aerobia 8,19 2,56 0 0,011 18,24 20, , B Salida 8,40 1,6 0 0,076 14,01 15, %Remoción Llenado 7,50 49,18 44,67 0,016 0,039 49, Anaerobia 10, Aerobia 2,41 16,8 16,25 1,438 13,71 31, C Salida 2,5 17,29 16,73 0,375 5,89 23, %Remoción En la tabla 2 se expresan los resultados de los parámetros medidos para cada uno de los tipos de ciclos estudiados siguiendo la metodología descrita por el Standard Methods for Examination of Water and wastewater (1999).

4 Materia Orgánica: Para determinar la carga orgánica en el sistema se midieron los parámetros DBO5-20 y DQO. En la Tabla 2 se aprecia que el tipo de ciclo B presentó mayores porcentajes de remoción de materia orgánica con 99% para la DBO5-20 y 98% para la DQO; no obstante, los otros dos tipos de ciclos también presentaron buenos porcentajes de remoción. Lo que demuestra que los SBRs son eficientes en la remoción de materia orgánica de agua residual doméstica (Louzeiro et al., 2002; Castelló et al., 2002). Nitrógeno: Se estudio la remoción biológica de nitrógeno mediante los mecanismos de nitrificación y desnitrificación. Para el estudio de estos procesos se midieron los parámetros NTK, N-NH3, N-NO2 -, N-NO3 -, ph y T para cada uno de los ciclos estudiados. Proceso de Nitrificación: Para los tipos de ciclo A y B la remoción de nitrógeno amoniacal fue completa, en la Tabla 2 se puede ver que la concentración de nitrógeno amoniacal en la salida del sistema para estos tipos de fue cero. Para el tipo de ciclo C se tuvo menor porcentaje de remoción de nitrógeno amoniacal (63%), con una concentración en la salida de 16,73 mg/l. La disminución del tiempo de aireación de diecinueve y quince horas para los tipos de ciclos A y B a seis horas para el tipo de ciclo C, desfavoreció el crecimiento de las bacterias nitrificantes disminuyendo así el porcentaje de transformación de nitrógeno amoniacal. Por otra parte el oxígeno es la variable más importante en el proceso de nitrificación (Collí et al., 2002). En esta investigación se suministró oxígeno al reactor sin control, es decir, la razón de flujo de aire era constante y la concentración de oxígeno en el reactor cambiaba con la proporción de uso del oxígeno. El oxígeno disuelto en el reactor durante el período de nitrificación fue cero, para el tipo de ciclo C. Para los tipos de ciclo A y B, la etapa de aireación fue más larga, y el método de suministro de oxígeno fue el mismo que para el tipo de ciclo C. Durante los períodos de aireación, de los tipos de ciclos A y B, se observó que una vez que el N-NH3 se agotaba, la concentración de oxígeno disuelto en el reactor se incrementaba. Esto se debe a que cuando el suministro de oxígeno es limitado, la razón de uso de oxígeno para la oxidación del amonio es mayor que la razón de suministro del mismo, pero cuando se ha consumido casi todo el amonio, la concentración de oxígeno disuelto en el reactor se incrementa. Un hecho importante que se observó en todos los tipos de ciclos estudiados, fue la pérdida de nitrógeno en la etapa de nitrificación (Wachtmeister et al., 1997) En la Figura 2, se aprecian estas pérdidas, así como el tiempo de duración de la etapa aerobia para cada tipo de ciclo, en ella se puede ver que para el tipo de ciclo A las pérdidas son aproximadamente del 14%, para el tipo de ciclo B del 31% y 33% para el tipo de ciclo C. Estos resultados indican que probablemente la duración de la etapa aerobia tuvo influencia en estas pérdidas, en conjunto con el método de suministro de oxígeno. Proceso de Desnitrificación: En la Tabla 2 se aprecia que el proceso de desnitrificación fue extremadamente bajo, se aprecia que la concentración de nitrato permanece relativamente constante para el tipo de ciclo A. En cuanto al tipo de ciclo B, se puede observar que la desnitrificación se dió aunque en un nivel bajo, disminución de la concentración de nitrato de 18,24 mg/l a 14,01 mg/l, sin embargo, para el tipo de ciclo C, se logró la desnitrificación en un mayor grado, con respecto a los otros tipos de ciclos. El Las diferencias en el desempeño del reactor para la desnitrificación en los tres tipos de

5 ciclos, está asociada a la duración de la etapa anóxica de cada uno de éstos. Como ya se mencionó anteriormente, la etapa anóxica para el tipo de ciclo A fue de una hora, de tres horas para el tipo de ciclo B y de dieciséis horas para el tipo de ciclo C, esto muestra que mientras más larga es la etapa anóxica mejor se da el proceso de desnitrificación (Collí et al., 2002; Lin y Ping, 2001; Jeon y Park, 2000) A B C Tipo de ciclo Pérdidas de nitrógeno (%) Tiempo de aireación (h)%pérdidas Tiempo deaireación (h) Nitrógeno Total: En la Tabla 2 se exponen los porcentajes de remoción de nitrógeno total (NT) para los tipos de ciclos estudiados, registrándose el mayor porcentaje de remoción de NT en el tipo de ciclo C. Sin embargo, es importante señalar que para este tipo de ciclo la nitrificación fue incompleta (63%), no obstante, el proceso de desnitrificación fue mejor, obteniendo la menor concentración de N-NO3 - en la salida. Fósforo: En la Tabla 2 se exponen los porcentajes de remoción promedio de fósforo total para cada tipo de ciclo evaluado. El mayor porcentaje de remoción de fósforo se tiene para el tipo de ciclo C. Esto puede deberse a que para este tipo de ciclo se trabajó con largas etapas anóxicas, durante las cuales el reactor se pudo comportar como un fermentador, lo que originó la producción de ácidos grasos volátiles, que quedaban en el volumen de agua que no se extraía del reactor. Esto pudo ocasionar también la mayor liberación de fósforo por parte de los microorganismos en la etapa anaerobia, del siguiente ciclo, favoreciéndose así la remoción de fósforo total (Kuba et al., 1997; Rittmann y McCarty, 2001) CONCLUSIONES 1. Los tres tipos de ciclos estudiados fueron eficientes en la remoción de materia orgánica, pero el tipo de ciclo B tuvo el mejor comportamiento, con porcentajes de remoción de 99% para la DBO5-20 y 98% para la DQO. 2. Para los tipos de ciclo A y B la nitrificación fue completa, y para el tipo C la eficiencia de nitrificación promedio fue de 58%, debido al método de suministro de oxígeno utilizado y al menor tiempo de duración de la etapa aerobia en este tipo de ciclo. 3. El proceso de desnitrificación fue deficiente para el tipo de ciclo A. Para el tipo de ciclo B la desnitrificación se dio, aunque en un nivel bajo. Para el tipo de ciclo C, el proceso de desnitrificación se logro, en un mayor grado, con respecto a los otros dos tipos de ciclos, siendo este tipo de ciclo el que tuvo menores concentraciones de N-NO3 - en la salida. 4. El mayor promedio de remoción de nitrógeno total fue el del tipo de ciclo C (52%), seguido del tipo B (46%) y por último el tipo A (18%). 5. El mayor porcentaje de remoción de fósforo se tuvo para el tipo de ciclo C (67%), dado que las condiciones de operación favorecieron el crecimiento de las bacterias acumuladoras de fósforo. 6. El SBR utilizado presentó gran aplicabilidad en el tratamiento del agua residual doméstica, específicamente en la remoción de la materia orgánica y los nutrientes, debido a su flexibilidad y versatilidad para adaptarse a distintas condiciones de operación.

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS American Public Health Association: Standard methods for examination of water and wastewater (1999). Vigésima edición. New York. Brenner A., Chozick R. e Irvine R. (1992) Treatment of a high-strength, mixed phenolic waste in an SBR. Water Environment Research. Vol. 64, No. 2, Castelló E., Ghislieri D., Ono A. y Borzacconi L. (2002) Optimización del funcionamiento de un SBR para la remoción de materia orgánica y nutrientes. XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Cancún, México. Chirinos M. y Ojeda M. (2001) Tratamiento avanzado de aguas residuales mediante el uso de un reactor por carga. Trabajo especial de grado. Facultad de Ingeniería. Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela. Collí J., Sugita H., Yamaoka M. y Ruiz H. (2002) Aireación intermitente para remoción biológica de nitrógeno en sistemas de tratamiento de aguas residuales de una sola etapa. XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Cancún, México. García S. (1987) El reactor de carga como sistema de tratamiento para efluentes industriales de difícil tratabilidad. Trabajo de post-grado para optar al título de Magíster en Ingeniería Ambiental. Facultad de Ingeniería. Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela. Herrera M. (1987) Estudio del uso de reactores de carga en el tratamiento del efluente de una industria química. Trabajo de post-grado para optar al título de Magíster en Ingeniería Ambiental. Facultad de Ingeniería. Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela. Jeon C. y Park J. (2000) Enhanced biological phosphorus removal in a sequencing batch reactor supplied with glucose as a sole carbon source. Water Research. Vol. 34, No. 7, Kuba T., van Loosddrecht M., Murnleitner E. y Heijnen J. (1997) Kinetics and stoichiometry in the biological phosphorus removal process whit short cycle times. Water Research. Vol. 31, No. 4, Lin Y. y Jing S. (2001) Characterization of denitrification and nitrification in a step-feed alternating anoxic-oxic sequencing batch reactor. Water Environment Research. Vol. 73, No. 5, Louzeiro N., Mavinic D., Oldham W., Meisen A. y Gardner I. (2002) Methanol-induced biological nutrient removal kinetics in a full-scale sequencing batch reactor. Water Research. Vol. 36, Rittmann B. y McCarty P. (2001) Biotecnología del medio ambiente. Principios y aplicaciones. Editorial McGraw Hill. Madrid, España. Wachtmeister A., Kuba T., van Loosdrecht M. y Heijnen J. (1997) A sludge characterization assay for aerobic and denitrifying phosphorus removing sludge. Water Research. Vol. 31, No. 3,