Filtros biológicos sumergidos y aerados

INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXIV, No. 1, 23 Filtros biológicos sumergidos y aerados INTRODUCCIÓN Los procesos de tratamiento biológico de película fija se llevan a cabo en reactores que comprenden: Filtros percoladores Reactores biológicos rotatorios Filtros biológicos sumergidos y aerados Los dos primeros son los más comúnmente utilizados siendo escasa la bibliografía disponible para el tercero por su menor utilización. Estos reactores se utilizan para la oxidación de la materia orgánica, la nitrificación, desnitrificación y digestión anaerobia de residuales. 1 En un proceso biológico de este tipo, los microorganismos se adhieren a un medio soporte y crecen sobre él, formando la película que degrada la materia orgánica y sustancias contaminantes. Como los microorganismos no son arrastrados fuera del sistema por el líquido, en estos reactores se alcanza no solo una alta concentración de microorganismos sino también elevadas edades de lodo. En la medida en que se adhiere la materia soluble, coloidal y suspendida sobre la biopelícula esta crece y al hacerlo aumenta su grosor ocasionando que la actividad propiamente aeróbica se limite solamente a una capa de 2 ó 3 mm de espesor por debajo de la superficie, ya que en capas más profundas el proceso se torna anaeróbico ante la imposibilidad del oxígeno de difundirse a través de la biopelícula. Los gases producto de la anaerobiosis, así como la fuerza de cizallamiento que ejerce el residual sobre la biopelícula provocan el desprendimiento periódico de la misma siendo arrastrada por el agua residual, por lo que se hace necesario el empleo de sedimentadores para la separación del sólido desprendido de la corriente de líquido tratado. 2 Para describir la remoción de la materia orgánica soluble en los procesos de película fija se han utilizado modelos de orden,5 y 1 además del modelo de Monod; sin Resumen / Abstract En el presente trabajo se realiza un estudio con filtros biológicos sumergidos y aerados con vista a comprobar el modelo que se plantea para el diseño de estos sistemas, y determinar las cargas orgánicas por unidad de superficie de empaquetadura que eran posibles tratar, obteniendo remociones aceptables. Como estos sistemas requieren de aeración, se comparan en el trabajo los resultados obtenidos con los de un sistema de lodo activado, donde se trabajó con iguales tiempos de retención y diferentes edades de lodo, apreciándose que en los sistemas de filtros biológicos sumergidos y aerados se obtienen mejores resultados con respecto a la remoción de DQO. Palabras clave: filtros biológicos sumergidos y aerados, lodos activados, filtros percoladores. The first and second of them are de most commonly used while the available bibliography about the third one is scarce due to their less utilization. Keeping this in mind, a study developed with Aerated Submerged Biological Filters is show in this paper in order to check the model used for the designing these systems. The organic load per unit of packng surface that are possible to treat with acceptable removals in this kind of equipment was also determined. Aeration requirements of these systems permitted the comparison of its results, with those using Activated Sludge System, both operating at the same hydraulic retention times and different sludge ages, it was concluded that the first one is better to remove COD. Key words: aerated sumergerd biological filters, activated sludge, trickling filters Miguel A. Díaz Marrero, Máster en Ciencias, Profesor Auxiliar, Ingeniero Químico, Centro de Ingeniería de Procesos (CIPRO), Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría e-mail: migueld@quimica.cujae.edu.cu María Antonia Montesino Menéndez, Máster en Ciencias, Ingeniera Química, CIPRO, Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría, Ciudad de La Habana e-mail: marian@uci.cu

embargo, teniendo en cuenta que las plantas de tratamiento reciben un flujo variable en cantidad y composición y que la materia orgánica suspendida es adsorbida por la biopelícula y después bioquímicamente degradada, la mayoría de los modelos usados para el diseño de estos procesos de película fija son puramente empíricos o basados en la cinética de primer orden. 3 Los filtros biológicos sumergidos y aerados, también conocidos como sistemas de aeración por contacto, han sido usados desde hace sesenta años. 3 Aunque la bibliografía disponible sobre este tratamiento es poca, se conoce que la primera planta de este tipo fue construida en 1937 en Elgen, Texas y que no es hasta después de 1951 que su construcción adquiere auge en New Jersey. 4 Remociones de la DQO hasta 8 % empleando este tipo de tratamiento fueron reportados por Costa al tratar residuales conteniendo 3 y 3 5 mg/l -1 de DQO con tiempos de retención hidráulicos entre 1 y 16 h, utilizando piedra porosa de forma esférica con un diámetro entre 2 y 3,5 cm, que aunque conllevaba a una pérdida en la superficie de contacto y concentración de biomasa adherida al medio soporte, evitaba la engorrosa operación de lavado del filtro. Según Rusten 3 con este tipo de tratamiento no es necesaria la recirculación de los lodos y se eliminan los problemas resultantes de los lodos abultados. Los filtros percoladores necesitan una carga hidráulica mínima para trabajar eficientemente, de lo contrario no se lograría humedecer toda la superficie del medio soporte y el área superficial activa sería menor que la reportada por el fabricante. 3 En un filtro sumergido y aerado se considera que las burbujas de aire desgastan la biopelícula y previenen la tupición del medio soporte, además la turbulencia provocada por el aire suministrado al proceso garantiza no solo un buen contacto sustrato-microorganismo, sino también que este se distribuya uniformemente por todas las partes del filtro, por lo que el área superficial activa es igual al área superficial total del medio soporte. Rusten 3 planteó un modelo para filtros sumergidos y aerados basados en la carga orgánica referida al área superficial de la empaquetadura según la expresión: So Qo S * Q = * y D = D V * Ae V * Ae La relación entre la velocidad de remoción y la carga orgánica puede ser descrita a través de una expresión similar a la ecuación de Monod: B B B a a = a max + k...(1) donde: : Velocidad de remoción de la carga orgánica (g DQO. m -2 (empaquetadura).d -1 ). max : Velocidad máxima de remoción de la materia orgánica (g DQO removida.m -2 (empaquetadura).d -1 ). : Carga orgánica (g DQO alimentado.m -2 (empaquetadura).d -1 ). K: Carga orgánica cuando = ½ max (g DQO. m -2. d -1 ). Donde los valores de las constantes Dmax y k pueden ser determinadas ajustando el modelo anteriormente planteado, a través de datos experimentales. MATERIALES Y MÉTODOS Para acelerar el crecimiento de la biomasa sobre el medio soporte se tomó lodo proveniente de los reactores biológicos de un sistema de Lodos Activados,. El sistema operó en un inicio en batch alimentando diariamente los nutrientes requeridos para el crecimiento de los microorganismos. Cuando se observó que el medio soporte estuvo cubierto por la película biológica se procedió a alimentar en continuo con la menor de las cargas orgánicas de trabajo. Descripción del sistema El esquema de este tratamiento se muestra en la figura 1: FIG. 1 1 2 El tratamiento se llevó a cabo en una columna de acrílico (1), rellena hasta una altura de,93 m con empaquetadura plástica de área superficial específica de 175 m 2 m -3, volumen de empaquetadura,8 8 m 3 y,79 8 m 3 de volumen libre ocupado por el residual. El residual a tratar proveniente del tanque de alimentación (2) se distribuyó por la parte superior utilizando un sistema de compensación de presiones, y el aire suministrado por el compresor (3) acoplado al sistema entraba por el fondo de la columna, garantizándose condiciones aeróbicas durante las corridas realizadas. Condiciones experimentales Para comprobar el ajuste del modelo y determinar la influencia de la carga orgánica en la eficiencia del tratamiento, se realizaron cuatro corridas experimentales utilizando un residual sintético preparado en el laboratorio a partir de extracto de levadura, siendo la relación DQO: N: P de 1: 1,6: 2,5 dando un balance nutricional adecuado para ser sometido a tratamiento aerobio. 5 3

Filtros biológicos sumergidos y aerados Las concentraciones se prepararon dando los siguientes valores medios: Corrida (mg DQO m -2 d -1 ) 1 5,46 2 11 3 2,31 4 22,76 Durante todas las condiciones de trabajo se mantuvo un flujo de alimentación promedio de,1 6 m 3 d -1, equivalente a,75 d de tiempo de retención y el aire se suministró a razón de 6 m 3. d -1. En cada corrida se determinó por el método estándar la DQO, tanto de la alimentación, como del efluente. En este último la determinación se realizó después de filtrada la muestra. RESULTADOS Los valores de DQO en la alimentación y el efluente (So y Se respectivamente) así como la carga orgánica total aplicada al sistema (), la velocidad de remoción de carga orgánica (D) y los porcentajes de remoción obtenidos para las cuatro corridas realizadas se muestran en la tabla 1. En la figura 2 se muestra la correlación entre la velocidad de remoción de la carga orgánica total (D ) y la carga orgánica total aplicada al sistema ( ) la cual se obtuvo aplicando el programa CurveExp con un modelo no lineal equivalente a la ecuación 1. La velocidad de remoción fue calculada a partir de la DQO total de la alimentación y la DQO soluble del efluente de modo que la eficiencia del proceso de sedimentación no influye en los resultados alcanzados. Como puede apreciarse se logra un buen ajuste del modelo planteado pudiendo ser diseñados los filtros biológicos sumergidos y aerados con el criterio basado en la carga orgánica total aplicada. 2. 15. 1. 5.. FIG. 2. 5. 1. r =.97742198 15. 2. 25. 3. Tabla 1 Corrida 1 1 1 35 54 6,75 7,12 94,8 2 727 54 4,63 5, 92,6 3 749 8 4,6 5,16 89,3 4 746 88 4,53 5,13 88,2 5 696 55 4,41 4,79 92,1 6 751 67 4,71 5,17 91,1 7 833 5 5,39 5,73 94 8 87 71 5,7 5,55 91,2 Valor medio 793 65 5,1 5,46 91,7 Desv. Est. 17 14,77,73 2,2 44

M. A. Díaz y M. A. Montesino Tabla 1 Continuación Corrida 2 1 1 724 14 1,9 11,87 91,9 2 1 473 115 9,35 1,14 92,2 3 1 579 174 9,67 1,87 89, 4 1 718 164 1,7 11,83 9,5 5 1 576 173 9,66 1,85 89, 6 1 558 174 9,53 1,72 88,8 7 1 658 13 1,52 11,41 92,2 8 1 458 131 9,26 1,16 91, Valor medio 1 593 15,1 9,9 11, 9,6 Desv. Est. 11 23,8,65,67 1,47 Tabla 1 Continuación Corrida 3 1 2 756 489 15,6 18,97 82,3 2 3 178 1 134 14,7 21,87 64,3 3 3 159 919 15,42 21,74 7,9 4 3 117 887 15,35 21,45 71,5 5 3 164 774 16,45 21,78 75,5 6 2 474 378 14,43 17,3 84,7 7 2 96 938 13,92 2,37 68,3 8 2 8 915 12,97 19,27 67,3 Valor medio 2 951 84 14,78 2,31 73,1 Desv. Est. 255 251 1,12 1,76 7,2 45

Filtros biológicos sumergidos y aerados Tabla 1 Continuación Corrida 4 1 3 267 1 14 14,64 22,49 65,1 2 3 236 1 5 15,36 22,27 68,9 3 2 773 548 15,31 19,9 8,2 4 3 272 1 19 14,89 22,52 66,1 5 3 27 1 38 14,93 22,7 67,6 6 3 675 1 466 15,2 25,3 6,1 7 3 628 1 537 14,39 24,97 57,6 8 3 398 1 99 15,82 23,39 67,7 Valor medio 3 37 1 118 15,7 22,76 66,7 Desv. Est. 28 33,45 1,93 6,7 Los valores obtenidos de velocidad de remoción de la carga orgánica máxima (Dmax ) y k son: Dmax = 34,386 8 mg DQO m -2 d -1 k = 27,978 9 mg DQO m -2 d -1 por lo que la velocidad de remoción de la carga orgánica total como función de la carga orgánica total puede expresarse por: B? B = 34,386 8 a a + 27,978 9 Al graficar los porcentajes de remoción con respecto a las cargas orgánicas aplicadas, se obtiene el gráfico que se muestra en la figura 3. Aquí se aprecia que a medida que aumenta la carga se produce una disminución en los porcentajes de remoción y que por debajo de 1 g de DQO.m -2. d -1 este permanece prácticamente constante en aproximadamente un 91 %. Esto permite concluir que este sistema debe trabajarse para las condiciones con que se operó en el laboratorio a cargas por unidad de área de empaquetadura de 1 g*m-2d-1 o superiores, pues por debajo de ese valor no se obtienen mejoras en la eficiencia de remoción del proceso. 1, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,, FIG. 3, 5, 1, 15, 2, 25, 3, Si se comparan los resultados obtenidos con un sistema de lodo activado trabajando con el mismo sustrato, el mismo tiempo de retención hidráulico, y concentración en la alimentación de aproximadamente 8 mg de DQO/L para edades de lodo de 5,1 y 15 días, se obtienen los siguientes resultados: Edad de lodo 5 1 15 Filtro aerado %R 72,8 78,1 83,8 91,7 De la comparación se observa que el filtro aerado es más eficiente incluso que el sistema de lodo activado de mayor edad de lodo. Esto se debe al mayor tiempo de 46

M. A. Díaz y M. A. Montesino contacto entre el sustrato y la biomasa en los filtros debido a que la biomasa se encuentra adherida al soporte y sólo cuando esta se desprende es que puede ser arrastrada fuera del sistema CONCLUSIONES 1. Se logra un buen ajuste del modelo planteado, pudiendo ser diseñados los filtros biológicos sumergidos y aerados con el criterio basado en la carga orgánica total aplicada. 2. A medida que aumenta la carga aplicada se produce una disminución en los porcentajes de remoción de sustrato. 3. Estos sistemas deben trabajarse para las condiciones con las que se operó en el laboratorio a cargas por unidad de área de empaquetadura de 1 g.m -2 d -1 o superiores, pues por debajo de ese valor no se obtienen mejoras en la eficiencia de remoción del proceso. 4. Al comparar los filtros biológicos sumergidos aerados con los sistemas de lodos activados operando con el mismo sustrato, el mismo tiempo de retención hidráulico y concentración en la alimentación de aproximadamente 8 mg de DQO/L, se obtiene que el filtro aerado es más eficiente incluso que el sistema de lodo activado de mayor edad de lodo. REFERENCIAS 1. BITTON, G.: Watewater Microbiology, 1994. 2. CHUDOBA, J.; C. MENÉNDEZ Y J. PÉREZ: Fundamentos teóricos de algunos procesos para la purificación de aguas residuales, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Ciudad de La Habana, 1986. 3. RUSTEN, B.: "Wastewater Treatment with Aerated Submerged Biological Filters", JWPCF. Vol. 56. No. 5. 1986. 4. WILFORD, J. AND T. CONLON: Contact Aeration Sewage Plants in New Jersey, Sewage and Industrial Wastes, 1957. 5. CASTAÑEDA, E.: "Sedimentación y nitrificación en los tratamientos biológicos por lodos activados", Tesis de Maestría, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Ciudad de La Habana, 1999. 6. DÍAZ, M. Y M. MONTESINO: "Influencia de la presencia de iones cloruros en un sistema de lodo activado". Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Vol. XXII, No. 3, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Ciudad de La Habana, 21. Recibido: septiembre del 22 Aprobado: noviembre del 22 Secretaría Permanente en: GEIPI, Calle Virtudes Esquina a Belascoaín, Centro Habana, Ciudad de La Habana; Telef.: (537)879332 8788542; email: uiphc@ceniai.inf.cu 47