FACTORES OPERACIONALES QUE AFECTAN A LA ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE FÓSFORO Y NITRÓGENO EN UN REACTOR DISCONTINUO

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1 FACTORES OPERACIONALES QUE AFECTAN A LA ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE FÓSFORO Y NITRÓGENO EN UN REACTOR DISCONTINUO Arodí Bernal Martínez, Óscar González Barceló y Simón González Martínez Coordinación de Ingeniería Ambiental. Instituto de Ingeniería. Universidad Nacional Autónoma de México. Coyoacán. México, D. F. Fax () 66 6 y 6 RESUMEN El objetivo de este trabajo fue evaluar los parámetros de operación que afectan a la eliminación biológica de fósforo y nitrógeno en un reactor discontinuo con biomasa suspendida. Se trabajó con un reactor a nivel planta piloto con una capacidad de.9 m alimentado en forma discontinua con agua residual de tipo doméstico. Después de 6 días de operación los mejores resultados se obtuvieron manteniendo una CO en un intervalo de.8-. kgdqo/kgsst. d y con el control de períodos anaerobios/aerobios. Con una relación DQO s /PO de se alcanzó un 9% de eliminación total de fósforo y los lodos cuentan con el mayor contenido de fósforo (%). La remoción de DQO y PO aumenta con el TRC. Si se trata de operar los dos procesos (EBF y N) el TRC recomendado de acuerdo a los resultados presentados está en un intervalo de 6 a días y operando con temperatura de - ºC, ph de 7-7. y OD entre y mg/l. INTRODUCCIÓN El sistema discontinuo es una alternativa para la Eliminación biológica de fósforo y nitrógeno (EBFyN) debido a la flexibilidad de operación que permite la introducción de períodos anaerobios/aerobios, requisito primordial para inducir el crecimiento de Bacterias acumuladoras de fosfato (BAF) y favorecer la nitrificación. Lo cual es muy importante ya que cuando el agua residual recibe un tratamiento convencional, generalmente se elimina la contaminación orgánica pero en el efluente quedan iones inorgánicos que producen contaminación de tipo trófica, es decir la contaminación que se da por una elevada concentración de nutrientes, los cuales inducen el aumento en la productividad primaria generando procesos de eutroficación en los cuerpos de agua donde se descargan éstos efluentes. Para llevar con éxito la EBFN se requiere cumplir con varias condiciones de operación como: Carga orgánica, Tiempo de Retención Celular (TRC), relación DQO/PO, ph, OD y temperatura. La carga orgánica es un factor muy importante ya que suministra el material orgánico para que las BAF lleven a cabo el metabolismo de acumulación de fósforo, así mismo que proporciona el TRC. Shao et al. (99) muestran que cuando el TRC alcanza valores de a. días la habilidad para liberar y almacenar fosfato se

2 pierde. Por lo que el objetivo de este estudio consistió en evaluar los parámetros de operación que afectan a la remoción de fósforo y nitrógeno en un reactor discontinuo con biomasa suspendida. MÉTODO Un reactor discontinuo con un volumen de.9 m, fue alimentado con aguas residuales de la UNAM (Fig. ). El reactor fue operado con ciclos de 8 horas, cada uno dividido en cinco fases: llenado, anaerobia, aerobia, sedimentación y vaciado. Durante la fase anaerobia, para evitar la transferencia de oxígeno a través de la superficie se colocó una bomba de recirculación para mezclar. La aeración se realizó con tres difusores de membrana. Encima de un sistema de flotación el efluente fue succionado por medio de una bomba. El lodo fue purgado durante cada ciclo del licor mezclado, minutos antes de la fase de sedimentación. El reactor fue controlado con un reloj programable de 6 canales. Reloj Programable de 6 canales Melaza + K HPO Influente Purga de lodos Puerto de muestreo Puerto de muestreo Aeración Efluente Recirculación para mezclado El sistema fue operado con diferentes cargas orgánicas. La Tabla muestra los aspectos operacionales del reactor. En orden a incrementar la concentración de contaminantes, al agua residual le fue agregado melaza y fosfato de potasio para alcanzar un promedio de DQO de mg/l y concentraciones de fosfato de mg/l. La Tabla muestra las características del agua residual. Figura. Diagrama esquemático de la planta piloto. El muestreo fue realizado tres veces por semana en el influente, al final de fase anaerobia y en efluente de un ciclo. Cuando el sistema fue considerado estable bajo diferentes cargas orgánicas, el muestreo fue realizado cada minutos para describir el perfil de concentraciones de los parámetros que se indican en la tabla durante un ciclo (Deutsche Einheitsverfahren, 98; APHA, 99). También fueron tomadas muestras del licor mezclado para determinar las características del lodo y el tiempo de retención celular. Tabla. Ajuste de la duración de las fases de acuerdo a la carga orgánica.

3 Carga orgánica (kgdqo/kgsst d) Influente por ciclo (l) Llenado Fase Anaerobia (min) Fase Aerobia (min) Sedimentación Vaciado (min) (min) (min) Tabla. Características del agua residual con y sin la adición de melaza. Parametro Agua residual Cruda Con melaza + K HPO DQO total (mg/l) 98 DQO soluble (mg/l) 9 6 P-PO (mg/l) 6 N-NH (mg/l) 6 9 N-NO (mg/l).8. N-NO (mg/l).7. ph OD (mg/l).6. Temperatura ( ºC ) 6 8 RESULTADOS Carga Orgánica y Tiempo de retención celular TRC C.O.6 TRC (días)..... CO (kgdqo T /kgsst. d) En la Fig. se muestra la relación entre carga orgánica aplicada y tiempo de retención celular. Como indican Winkler (986) y Vaccari et al. (98), una carga orgánica alta resulta en un bajo Figura. Comportamiento de la Carga Orgánica y Tiempo de retención celular en los días de operación.

4 tiempo de retención celular. Cuando se controlo la CO en.8,.8,. y. kgdqo/kgsst. d los TRC correspondientes fueron, 6, 6 y días. Relación DQO/PO Existe una relación óptima de DQOs/PO (Fig. ) para activar el metabolismo de acumulación de fosfato; en la experimentación se mantuvieron relaciones entre y con muy buena eliminación al quedar en el efluente. mg/l de PO. Cuando esta relación se incrementa, los fosfatos en el efluente aumentan lo cual significa que la eficiencia en la eliminación de fosfatos disminuye. Efecto del TRC en la eliminación de nutrientes 8 DQO t /PO DQO s /PO Efluente PO * 6 6 PO DQO/PO 6 PO (mg/l) Figura. Relación DQO/PO durante la experimentación Remoción de DQO La primer carga orgánica probada fue.8 kgdqo/kgsst. d. El sistema necesitó cerca de 9 días para alcanzar condiciones de operación estables de acuerdo al comportamiento de DQO y PO. La Figura, muestra valores de DQO después del llenado, final de fase anaerobia y en efluente, se observa que después del llenado del reactor en condiciones anaerobias el valor de DQO baja. Esto es producto de la captura en fase anaerobia y de la dilución del agua residual del influente con los lodos remanentes y agua del ciclo previo. Después de 9 días de operación la mayor parte de DQO del agua durante fase anaerobia y los valores del efluente fueron estables alrededor de mg/l. Después del cambio del TRC de 6 y días los valores en el efluente incrementaron (disminuyó la eficiencia).

5 * Influente Final anaerobia Efluente 6 6 DQO (mg/l) Figura. Comportamiento de la DQO en influente, final de fase anaerobia y ciclo. 7 Influente Final anaerobia Efluente * 6 6 PO (mg/l) 6 Efluente PO (mg/l) Remoción de fosfatos Figura. Comportamiento de los fosfatos en el influente, final de fase anaerobia y efluente. La Fig. muestra que durante la fase de arranque se obtuvieron muy altos valores de PO en el efluente. Después de días la concentración de PO al final de fase anaerobia incrementa regularmente hasta alcanzar un valor estable después del día. Durante el tiempo experimental

6 bajo un TRC de 6 días el promedio de liberación de PO al final de fase anaerobia alcanzó una concentración arriba de porciento del valor del influente. La concentración del efluente registrada fue de menos de. mg/l representando una remoción promedio de 98%. Posteriormente se realizó el cambio de 6 a días, ante este cambio el sistema necesitó aproximadamente días para estabilizarse. Es importante notar que las características del agua residual se mantienen sin cambios y para disminuir la carga orgánica, la cantidad de agua residual adicionada (caudal de agua residual) al reactor fue reducida incrementando así, tanto carga orgánica como la carga de fosfato (Tabla ). Los valores más altos de TRC producen efluentes con baja calidad que las cargas probadas anteriormente. Los valores más bajos de TRC fueron obtenidos con el TRC de 6 días, y luego con después con y la más alta concentración con 6 días. Los resultados obtenidos por Christensson (996) fueron similares a los resultados de esta investigación con un TRC de 6 días. Remoción de Nitrógeno Después de días de operación, la nitrificación se estabiliza. Durante la corrida experimental correspondiente a un TRC de 6 días la nitrificación fue completa mostrando que la concentración de amonio incrementa durante la fase anaerobia arriba de los valores del influente (Ver Fig. 6). De acuerdo a Schlegel (988), el incremento en el amonio es debido a un proceso de amonificación durante la fase anaerobia. Esta situación cambia durante el resto de la experimentación donde se encontraron altas concentraciones de * Influente Final anaerobia Efluente 6 6 NH (mg/l) Figura 6. Comportamiento del NH en el influente final de fase anaerobia y efluente.

7 amonio. El proceso de nitrificación no fue estable durante el segundo TRC probado ( días) que con el caso previo: la concentración en el efluente fue menos estable indicando que la nitrificación no fue completa. La experimentación con un TRC de 6 días muestra que la nitrificación no fue completa y con el TRC de días no ocurre nitrificación, Influente Final anaerobia Efluente * 6 6 NO (mg/l),,, Figura 7. Comportamiento de los nitratos en el influente, final de fase anaerobia y efluente. Parámetros fisicoquímicos En la Fig. 8 se aprecia el efecto del ph, temperatura y oxígeno disuelto en la EBF y N con los diferentes TRC. Cabe mencionar que no se controló el ph y temperatura, por lo tanto éstos son función de las condiciones ambientales presentadas en el día de muestreo. Se analizará esta gráfica primero en la fase anaerobia para cada TRC con cada uno de los parámetros mencionados. Fase anaerobia -ph Al incrementar el TRC aumenta el ph (de 6.6 a 7.), se encuentra mayor excreción de PO cuando el ph estuvo en un intervalo de 7 a 7., este resultado está de acuerdo a los datos presentados por Smolders et al. 99 en donde al incrementar el ph (. a 8.) aumenta la excreción de PO, al igual que incrementa la remoción de DQO. El ph en fase anaerobia no afectó las concentraciones de amonio.

8 -Temperatura En el día de muestreo para el TRC de y 6 días fue de ºC, en tanto para el TRC de y 6 días fue de 8 y ºC. -Oxígeno disuelto No se detectó oxígeno disuelto en fase anaerobia, condición necesaria para activar el mecanismo de acumulación de fosfatos. Fase aerobia -ph La mayor remoción de DQO se presentó con un ph de 7.7 a un TRC de días y la mayor eliminación de PO (9%) se obtuvo con un ph de 7. con el TRC de días (8%) a ph de 7.7, al respecto mencionan Groenestijn y Deineman, (98) que las más altas eficiencias en la remoción biológica de fósforo ocurren a valores de ph entre 7. y 8, aunque Ferguson et al. 99 menciona, que a ph mayores de 7.8 se presenta precipitación química. -Temperatura La temperatura se vio incrementada para los TRC de 6 y días ( y ºC, respectivamente), lo cual favoreció a la EBF y nitrificación. -Oxígeno disuelto Fueron detectadas buenas concentraciones de oxígeno disuelto para los TRC de 6 y días (. y mg/l) lo cual favorece la nitrificación y la captura de fosfatos por las BAF. En tanto para los TRC de y 6 días las concentraciones de oxígeno disuelto son bajas lo cual resultó perjudicial para ambos procesos. Contenido de fosfatos en la biomasa Una vez por semana, el fosfato total fue determinado en los lodos siempre con los SST. Las muestras de los lodos activados fueron tomados al final de fase anaerobia y al final del ciclo. La Fig. 9 muestra que los lodos contienen más baja cantidad de fosfato después de fase anaerobia que al final del ciclo. Con la excepción del TRC de días, la concentración de fosfato sigue un patrón. La concentración es inversamente proporcional al TRC, ambos después de la fase

9 anaerobia y al final del ciclo, y la diferencia entre ellos es proporcional al TRC. Esto significa que la cantidad de fosfato liberado durante fase anaerobia incrementa con el TRC (Tabla ). En un proceso Phostrip, Hashimoto and Furukawa (98) observaron un contenido de fósforo intracelular del.% con un TRC de días. Shao et al. (99) reporta un contenido entre. y % en un sistema de lodos activados y con un TRC de. días se pierde la capacidad para acumular fosfatos. DQO; N-NH y P-PO (mg/l) a) DQO; P-PO y N-NH (mg/l) b) DQO; P-PO y N-NO (mg/l) DQO N-NH P-PO N-NO Anaerobia Aerobia DQO P-PO N-NH N-NO Anaerobia Aerobia DQO P-PO N-NH N-NO Anaerobia Aerobia N-NO (mg/l) N-NO (mg/l) N-NO (mg/l) T ºC T ºC T ºC Temperatura ph Oxígeno disuelto Anaerobia Aerobia Temperatura ph Oxígeno disuelto Anaerobia Aerobia Temperatura ph Oxígeno disuelto Anaerobia Aerobia ph;od (mg/l) ph; OD (mg/l) ph; OD (mg/l)

10 c) DQO; P-PO y N-NH (mg/l) d) DQO P-PO N-NH N-NO Anaerobia Aerobia Tiempo (min) Figura 8. Efecto de los parámetros fisicoquímicos en la eliminación de nutrientes. a) TRC= días; b) TRC= 6 días; c) TRC= 6 días y d) TRC= días. Contenido de Nitrógeno en la Biomasa N-NO (mg/l) En la Fig. se compara el contenido de nitrógeno en los lodos minutos antes de finalizar la etapa de aeración con los diferentes TRC. Se puede observar que al aumentar el TRC el contenido de nitrógeno se incrementa siendo mayor para el TRC de días (%) y menor para el TRC de días (.9%). En la Tabla se muestran los valores de fósforo y nitrógeno. T ºC Temperatura ph Oxígeno disuelto Anaerobia Aerobia Tiempo (min) 8 6 ph; OD (mg/l) Final de fase anaerobia Final del ciclo Fosfato en la biomasa (Porciento de los SST) 6 6 Figura 9. Concentración de fosfato en el lodo después de la fase anaerobia y al final del ciclo.

11 6 Nitrógeno en Biomasa (Porciento de los SST) 6 6 TRC (días) Figura. Contenido de Nitrógeno de los lodos con diferentes TRC. Tabla. Contenido de Fósforo y Nitrógeno en los lodos. TRC % de Fósforo en Biomasa % de Nitrógeno en (días) a b Biomasa a= Final de fase anaerobia b= Final de fase aerobia CONCLUSIONES Los factores de operación juegan un papel muy importante en la EBFyN ya que:. Para lograr el establecimiento de BAF y nitrificantes se requiere mantener el sistema con CO en un intervalo de.8-. kgdqo/kgsst. d y mantener los periodos anaerobios/aerobios.. El TRC depende de la CO; a una CO alta (. y. kgdqo/kgsst. d), el TRC es bajo (6 y días), en tanto para una CO baja (.8 y.8 kgdqo/kgsst. d) los TRC son largos ( y 6 días).. La remoción de DQO y PO aumenta con el TRC.

12 . Para obtener nitrificación completa es necesario operar con TRC no mayores de días y no menores de días, en este intervalo se asegura el establecimiento de bacterias nitrificantes.. Al aumentar el TRC disminuye el IVL, lo cual es deseable para lograr una mejor separación de los lodos durante el proceso de sedimentación. 6. La captura de fósforo (de. a.7%) en biomasa se observó con un TRC de días. 7. Si se trata de operar los dos procesos (EBF y N) el TRC recomendado de acuerdo a los resultados presentados está en un intervalo de 6 a días y operando con temperatura de - ºC, ph de 7-7. y OD entre y mg/l. 8. El TRC mostró tener un efecto negativo al no presentar EBF cuando se opera con TRC de 6 días y menores a este. Al igual cuando el TRC es mayor de días. AGRADECIMIENTOS Esta investigación se realizó gracias al apoyo de la DGAPA-UNAM. No Contrato IN-96. BIBLIOGRAFÍA APHA, AWWA & WPCF (99). Standard methods for the examination of water and wastewater. 6th edition. Washington, D.C. Christensson M., Blackall L., Keller J. and Welander T. (996). The influence of sludge retention time of the biological nutrient removal and changes in the sludge community in activated sludge sequencing batch reactors. In Proc. First IAWQ Specialized Conference on Sequencing Batch Reactor Technology. Munich. Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung (98). Verlag Chemie, Weinheim, Germany. Groenestijn J. and Deinema, M. (98). Effects of cultural conditions on phosphate accumulation and release by Acinetobacter strain ª. Proceedings of the International Conference, Management Strategies for Phosphorus in the Environment, Lisbon, Portugal, July -. Schlegel H. (98). Allgemeine Mikrobiologie. 6 th edition. Thieme Verlag, Germany.

13 Shao Y., Wada F., Abkian V., Crosse J., Horenstein B. and Jenkins D. (99). Effects of MCRT on enhanced biological phosphorus removal. Wat. Sci. Tech., 6(/6), Smolders, G., Van der Meij, H., Van Loosdrecht, M. and Heijnen, J. (99). Model for the anaerobic metabolism of the biological phosphate removal process; stoichiometry and ph influence. Biotech and Bioeng. : 6-7. Vaccari D., Fagedes T. and Longtin J. (98). Calculation of mean cell residence time for unsteady - state activated sludge systems. Biotech. and Bioeng. 7, Winkler M. (986). Tratamiento biológico de las aguas de desecho. Limusa. México.