DIGESTIÓN ANAEROBIA EN DOS ETAPAS DE LODOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

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1 DIGESTIÓN ANAEROBIA EN DOS ETAPAS DE LODOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz* Ingeniero en Alimentos por la Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa. Técnica Académica Asociada del Instituto de Ingeniería de la UNAM Rafael Araluce Santos Pasante de Ingeniería Química de la Facultad de Química de la UNAM y becario de licenciatura del Instituto de Ingeniería de la UNAM Adriana Vargas Alvarez Pasante de Ingeniería Química de la Facultad de Química de la UNAM y becaria de licenciatura del Instituto de Ingeniería de la UNAM Nathalie Cabirol Bióloga, Doctora -Investigadora Asociada en el Instituto de Ingeniería de la UNAM. Especializada en técnicas de biología molecular. Investigadora Nacional Nivel I. Juan Manuel Morgan-Sagastume Ingeniero Químico, Doctor en Ingeniería Química de la UNAM. Investigador Nacional Nivel I Adalberto Noyola Robles Ingeniero ambiental, Doctor en Ingeniería de Tratamiento de Aguas Residuales del Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas, Toulouse, Francia. Investigador Titular en el Instituto de Ingeniería de la UNAM. Investigador Nacional Nivel III. Presidente electo de AIDIS. Dirección del autor principal (*): Coordinación de Bioprocesos Ambientales, Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Escolar sin número Edificio 5, Ciudad Universitaria, Delegación Coyoacán, CP 04510, México, D.F., Tel (++)(55) , Fax (++)(55) noyola@pumas.iingen.unam.mx ; mec@pumas.iingen.unam.mx RESUMEN En este trabajo se evaluó el funcionamiento en paralelo de dos digestores de lodos en forma de huevo, con un volumen efectivo de tratamiento de 5 L, operados en semicontinuo y mezcla completa bajo condiciones de mesofilía (35ºC) denominados M1 (THR = 13 días y carga orgánica promedio de 1.56 g SSV/L*d) y M2 (THR = 10 días y carga orgánica promedio de 2.00 g SSV/L*d) respectivamente. Ambos reactores eran precedidos por un reactor acidógenico termofílico (55ºC) denominado AT (operado a dos TRH, 2 y 1 día y carga orgánica promedio de y kg SSV/L*d respectivamente) con un volumen efectivo de tratamiento de 2 L. Este arreglo se consideró como una opción para la estabilización de lodos biológicos producidos por las plantas de tratamiento de aguas residuales y la generación de biosólidos con características adecuadas para su reutilización como mejoradores de suelo. Los resultados obtenidos durante la de operación estable indican que se logró el funcionamiento adecuado del sistema así como la eliminación de patógenos y parásitos. Los resultados muestran que la digestión anaerobia termofílica es una tecnología viable para la generación de biosólidos que permita cumplir con la normatividad mexicana en vigencia (NOM-004-SEMARNAT-2002) en clase A, excepto en el conteo de huevos de helminto, que solo cumple con clase B. PALABRAS CLAVE Acidogénesis, biosólido, digestión anaerobia, mesofilia, parásitos, patógenos, termofilia

2 INTRODUCCIÓN. En México, de los más de 231 m 3 /s de aguas residuales municipales que se generan, sólo se trata cerca del 30% (CNA, 2004). Se espera que este porcentaje se incremente debido al cumplimiento de la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEMARNAT Esto ocasionará que se produzcan cerca de 700,000 toneladas anuales de lodo (base seca). Actualmente, en México se cuenta con poca experiencia en los procesos de tratamiento de lodos de desecho generados en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Por otro lado, resulta preocupante el hecho de que estos residuos sean dispuestos en el ambiente sin tratamiento alguno. Con la entrada en vigor de la Norma Oficial Mexicana NOM-004-SEMARNAT-2002 (publicada el 15 de agosto de 2003) está situación tendrá que cambiar. Esta norma establece los límites de contaminantes en los lodos provenientes de las plantas de tratamiento de aguas residuales, una vez estabilizados (biosólidos), con la finalidad de reutilizarlos o disponerlos de manera segura. En la década de los setentas y principios de los ochentas se desarrolló el concepto de la digestión anaerobia en dos fases (acidogénesis y metanogénesis) como una propuesta tecnológica adaptada a la realidad del consorcio bacteriano involucrado en tal conversión biológica. La mayor parte de la investigación que se realizó sobre este tema fue con la finalidad de aumentar el control de la digestión anaerobia. En ese sentido, Ghosh et al. (1975) determinaron la factibilidad de mantener cultivos dominantes de microorganismos acidogénicos alimentándolos con lodo de desecho mediante su control cinético. Con ello, recabaron información sobre las características biocinéticas de estos microorganismos y desarrollaron criterios para la operación de la digestión de lodos en dos fases haciendo especial énfasis en la fase ácidogénica. Otros estudios muestran que puede ser conveniente dividir el proceso de digestión anaerobia en etapas. De aquí surge el concepto de digestión anaerobia de dos fases el cual en la actualidad es aplicado a gran escala con resultados favorables (Oles et al, 1997). Este trabajo tuvo como objetivo incrementar la eficiencia de la digestión anaerobia mesofílica mediante una fase ácidogénica termofílica previa (digestión anaerobia termofílica/mesofílica en dos fases) para la estabilzación de lodos de desecho como una opción para la obtención de biosólidos clase A con énfasis en la remoción de coliformes fecales, Salmonella y huevos de helmintos (parásitos). METODOLOGÍA. Se operó un reactor acidogénico termofílico (55ºC) en semicontinuo completamente mezclado en forma de columna de 4 L de volumen total y 2 L de volumen de tratamiento, a un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 2 días (primera etapa) y 1 día (segunda etapa) el cual constituye a la primera fase del arreglo. El reactor fue alimentado con lodo combinado (60% y 40% en peso de sólidos totales de lodo primario y secundario respectivamente) proveniente de una planta de tratamiento de agua residual municipal de tipo convencional (Cerro de la Estrella, México D.F.). En este reactor se llevó a cabo un proceso de predigestión (fase acidogénica) y su influente se alimentó a dos digestores anaerobios mesofílicos (35ºC) en forma de huevo en semi-bach (alimentación puntual diaria) con volumen total de 8 L y un volumen de tratamiento de 5 L. Los reactores mesofílicos se operaron en paralelo con tiempos de retención hidráulica de 13 y 10 días respectivamente y en lo sucesivo se denominarán M1 y M2 (Tabla 1). Tabla 1 Condiciones de operación de los digestores anaerobios AT M1 M2 AT TRH (días) Temperatura (ºC) Carga Orgánica (kgsv*m 3 /d) El mezclado mecánico de los digestores metanogénicos se realizó por medio de agitadores tipo propela de acero inoxidable de diámetro de 5/16 situados dentro de un tubo de alineación y accionados por medio de un motor de 1/8 HP, a una velocidad de 83 rpm, situado sobre la cubierta de los digestores. El digestor AT se mezcló mediante un agitador magnético.

3 6 1 1ª Fase-Digestor acidogénico termofílico AT (55ºC) ª Fase-Digestor metanogénico mesofílico M1 (35ºC) Dispositivo de medición de biogás 2. Septo para toma de muestra de biogás 7 3. Trampa de humedad 4. Agitados magnético 5. Bomba peristáltica 6. Motor de agitación mecánica 7. Manguera de recirculación 2ª Fase-Digestor metanogénico mesofílico M2 (35ºC) Figura 1 Arreglo en dos fases termofílico/mesofílico (AT-M1 y AT-M2) Para cumplir con los requerimientos caloríficos, el digestor AT se colocó dentro de una incubadora a 55ºC y los digestores metanogénicos fueron colocados en un cuarto de temperatura controlada (35ºC +/- 3ºC). La medición del biogás se efectuó con una probeta invertida en un recipiente con agua, en la cual el volumen del agua desplazado corresponde al volumen de biogás generado diariamente. Este sistema estaba precedido de una trampa de humedad y un septo de hule para la toma de muestra de biogás, con la finalidad de conocer su composición por cromatografía de gases. Figura 1. En las últimas semanas del experimento se utilizó un medidor de gas húmedo (wet test gas meter Precision Scientific Inc.). Tabla 2 Parámetros analizados durante el monitoreo del funcionamiento de los digestores anaerobios en dos etapas. Parámetro Técnica Frecuencia Sólidos suspendidos totales (SST; mg/l) Sólidos suspendidos volátiles (SSV; mg/l) Sólidos suspendidos fijos (SSF; mg/l) ph (unidades de ph) Potenciómetro Diario Temperatura (T; C) Termómetro Diario Alcalinidad (Alc; mg CaCO 3 /L) SM Diario SM Dos veces por semana Relación de alcalinidades (α; CBPA-II Diario adimensional.) Ácidos grasos volátiles (AGV; mg/l) Cromatografía de gases Tres veces por semana l Coliformes fecales (CF; NMP/g ST) SM Etapa estable Salmonella (S; NMP/g ST) SM Etapa estable Huevos de helminto (HH/g ST) NOM-004-SEMARNAT-2002 Etapa estable Actividad metanógena específica CBPA-II Etapa estable (AM; gch 4 -DQO/g SSV d) Producción de biogás Medidor de gas húmedo Diario Composición de biogás Cromatografía de gases Tres veces por semana SM: Standard Methods (1995); CBPA-II: Manual de técnicas de laboratorio de la Coordinación de Bioprocesos Ambientales del Instituto de Ingeniería de la UNAM

4 Los digestores mesofílicos (M1 y M2) estaban en operación previamente al arranque del reactor acidogénico (AT), alimentados directamente con lodo combinado crudo (primario-secundario) semejante al aquí utilizado. La medición de los parámetros durante todo este periodo se llevó a cabo de acuerdo a la Tabla 2. Cabe señalar que antes de cambiar las condiciones de operación de los reactores M1 y M2, estos se mantuvieron funcionando durante un periodo mínimo de 5 veces el TRH para asegurar la estabilidad del sistema. El digestor AT se inoculó con el lodo combinado crudo y se mantuvo mezclado a 55ºC durante 4 días. Posteriormente se alimentó en semicontinuo por medio de una bomba peristáltica y un controlador de apagado y encendido (timer). El reactor AT se inició un con un TRH de 2 días. Una vez estabilizado el reactor AT con un TRH=2 días su efluente se alimentó a los reactores M1 (TRH=13 días) y M2 (TRH=10 días), durante un periodo de 3 meses aproximadamente o 5 TRH como mínimo (de acuerdo al reactor M1 con TRH=13). Después de alcanzar el periodo de estabilización en el digestor AT trabajando a TRH = 2 días y de realizarse la caracterización correspondiente (Tabla 2), se repitió la metodología bajando el TRH de este digestor a 1 día. RESULTADOS. En la tabla 3 se muestran los principales resultados de los parámetros obtenidos durante el tiempo de operación de los digestores AT, M1, M2. Para el digestor AT se cuenta con dos series de datos, ya que éste fue operado a dos diferentes tiempos de retención (2 días para la primera etapa y 1 día para la segunda etapa). Tabla 3 Resultados experimentales DIGESTOR Lodo AT M1 M2 AT Entrada 1era etapa 2ª etapa TRH (días) ph (±0.35) 7.64(±0.17) 7.37(0.36) 6.38(±0.18) Alc. (mg CaCO 3 /l) (±860) 6069(±873) 5916(±903) 2863(±602) Rel. Alc. (α) (±0.09) 0.44(±0.07) 0.37(±0.07) 0.25(±0.06) A. acético (mg/l) No medido 1885(±350) 1601(±493) 2393(±622) 982 (±142) A. propiónico (mg/l) No medido 624(±169) 195(±108) 774(±141) 331 (±97) A. i-butírico (mg/l) No medido 571(±162) 215(±200) 428(±83) 266 (±29) A.butírico (mg/l) No medido 333(±28) 79(±37) 256(±129) 299 (±28) AGV s (mg/l) No medido STT (g/l) (±16.1) 45.55(±11.1) 45.71(±13.5) (±3.9) STV (g/l) (±9.4) 25.19(±7.5) 25.70(±8.2) (±3.1) %STV/STT % RSV Biogás (LN/día) 0.34(±0.2) 3.07(±1.4) 2.72(±1.6) 1.49(±0.4) % CH No medido

5 En la Tabla 4 se presentan los resultados de los indicadores bacteriológicos de contaminación (Coliformes fecales, Salmonella y Huevos de Helmintos) en las tres etapas caracterizadas en el primer periodo de experimentación. Tabla 4 Resultados de la caracterización microbiológica de la 1era etapa Coliformes fecales NMP/gST Salmonella NMP/gST HH totales/gst Lodo Crudo 7x x AT (primera etapa) 1.47x10 1 No detectado M1 1.01x10 1 No detectado 88 4 M2 1.74x10 1 No detectado HH viables/gst ANALISIS DE RESULTADOS Parámetros fisicoquímicos En ambos arreglos, los valores promedio de los parámetros evaluados en los digestores M1 y M2 alimentados con el efluente del digestor AT a TRH de 2 días muestran diferencias claras particularmente en las concentraciones de ácidos grasos volátiles, como se puede observar en la tabla 3, donde el digestor M2 presenta valores por arriba de los del M1. En concordancia con esto, se determinó una relación de alcalinidades promedio menor en el reactor M2. Los valores promedio de alcalinidad en M1 y M2 son los adecuados para mantener ambos sistemas con buena capacidad buffer y resistir cambios bruscos en la carga de alimentación. Ambos digestores presentaron valores cercanos a lo recomendado en la literatura para sistemas anaerobios (Malina y Pohland, 1992). En relación con las dos condiciones de operación del digestor AT, se observa que el valor promedio del ph se mantuvo en 6.49 y 6.38 unidades, valores que si bien muestran un reactor acidificado, no son tan bajos como podría esperarse. La relación de alcalinidades mostró para ambas condiciones, valores bajos, de acuerdo con la concentraciones de AGVs.. La concentración total de AGV s estuvo directamente relacionada con el TRH y la carga orgánica de alimentación de cada reactor, salvo para el digestor AT en la segunda etapa. En promedio, en todos los reactores el ácido acético fue el que mostró las concentraciones más altas; el ácido propiónico fue el segundo en concentración, seguido del ácido isobutírico y posteriormente el ácido butírico. En menores concentraciones se presentaron el ácido isovalérico y el ácido valérico (Tabla 3). La conversión de STV a metano fue de , 1.01 y 0.64 LN CH 4 /gstv eliminado respectivamente para los ractores AT (primera etapa), M1 y M2. LN significa litros del gas a temperatura y presión notmales (273ºK y 1 Atm). El factor de conversión en términos de masa de metano es 0.007, 0.72 y 0.56 gch CH 4 /gstv eliminado para el mismo orden de reactores. Parámetros microbiológicos Los resultados microbiológicos muestran que este tipo de sistemas resulta eficiente para inactivar Coliformes fecales y Salmonella ya que al final del proceso se obtuvo una reducción de 5 y 3 unidades logarítmicas respectivamente (Tabla 4). Si se consideran únicamente estos indicadores bacteriológicos de contaminación, se obtendría un biosólido Clase A con menos de 1000 NMP/gST para Coliformes fecales y menos de 3 NMP/gST para Salmonella, como lo marca la NOM-004- SEMARNAT Sin embargo, esta norma también limita el contenido de huevos de helmintos, siendo el valor límite para biosólido clase A 1 HH viable por gramo de materia seca (ST). Para huevos de helmintos la eficiencia de inactivación alcanzada con este arreglo fue del 90%. Los valores obtenidos para este indicador solo permiten obtener biosólidos con una calidad correspondiente a la clase B (10 HH/g) como se puede observar en la Tabla 4. La incorporación de un reactor termofílico, que realice una predigestión a los actuales trenes de tratamiento mesofílico de lodos es una opción para lograr que las instalaciones actuales en México

6 logren producir un biosólido clase A, tal como ha sido propuesto en un estudio anterior (Rubio et. al. 2004) en donde se demostró que la temperatura de 55ºC inactiva los huevos de helminto. En el presente trabajo, el digestor termofílico AT se operó en régimen semicontinuo, a diferencia del trabajo de Rubio et al. (2004) que fue operado en lotes diarios. La diferencia en el régimen hidráulico es importante, pues al ser reactores de mezcla completa, una parte de la alimentación puede salir del sistema sin suficiente tiempo de permanencia, lo que podría explicar que varios huevos estén aún viables en la salida del digestor AT. CONCLUSIONES Con este arreglo se logró estabilizar el lodo combinado (primario y secundario) proveniente de una planta de tratamiento de agua residual municipal de tipo convencional obteniéndose un biosólido clase B cumpliendo parcialmente con el objetivo planteado al inicio de esta investigación. La primera etapa termofílica (fase acidogénica) sirve para desinfectar el lodo, reduciendo de manera notable la cantidad bacterias indicadoras y patógenas así como de parásitos (huevos de helminto), dejando al lodo predigerido, para que en el digestor mesofílico sea completada la conversión de la materia orgánica a metano. Agradecimientos. Los autores agradecen el apoyo otorgado por el proyecto SEP-CONACyT para la realización de este trabajo mediante el convenio U Z. Así mismo, se reconoce el apoyo del técnico electrónico Ponciano Trinidad López y del estudiante de licenciatura Mauro Enrique Valle Primitivo. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. CNA (2004). Estadísticas del agua en México Ghosh, S., Conrad, J.R., Klass, D.L. (1975). Anaerobic acidogenesis of wastewater sludge. Journal WPCF. Vol 47. No. 1. pp Malina, J F y Pohland, F G (1992) Desing of anaerobic processes for the treatment of industrial and municipal wastes. Technomic Publishing Co. USA 214 pp 4. Norma Oficial Mexicana. NOM-001-ECOL Límites Máximos Permisibles de Contaminantes en las Descargas de Aguas Residuales a Bienes Nacionales. Diario Oficial de la Federación. 6 de enero de Norma Oficial Mexicana NOM-004-SEMARNAT Protección ambiental.-lodos y biosólidos- Especificaciones y límites máximos permisibles de contaminantes para su aprovechamiento y disposición final. Diario Oficial de la Federación. 15 de agosto de Oles, J., Dichtl, N., Niehoff, H. (1997). Full scale experience of two stage thermophilic/mesophilic sludge digestion. Wat. Sci. Tech. Vol 36. No 6-7. pp Rubio L.A., Monter L. y Noyola A. (2004). Digestión anaerobia en dos fases termofílica/mesofílica para la producción de biosólidos clase A. Ingeniería Sanitaria y Ambiental No. 76, pp, AIDIS Argentina, Sept-oct. 8. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. (1995) 19 th edition. APHA, AWWA, WEF. Washington, D.C.