EFECTO DE LA AIREACIÓN SOBRE LA REMOCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA Y NITRÓGENO EN BIORREACTORES DE LECHO MÓVIL

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Resumen

Los biorreactores de lecho móvil son sistemas de tratamiento de aguas residuales en los cuales se utiliza biomasa inmovilizada sobre soportes de plástico, suspendidos en el agua, formando un lecho que se encuentra en un constante movimiento. Los objetivos que se persiguieron es este trabajo consistieron en determinar el efecto de la aireación sobre la remoción de la materia orgánica y nitrógeno en los biorreactores de lecho móvil de la planta de tratamiento de aguas residuales municipales del Centro de Investigación de Energía de la UNAM, cuyo flujo de diseño es de 0.2 L/s y el efluente cumple con la norma referente a reutilización para riego de áreas verdes NOM-003-SEMARNAT/1998. Para realizar el estudio se aplicaron de forma secuencial dos flujos de aire, de 55 y 26 m³/h. Durante los dos períodos experimentales se realizaron determinaciones de DQOt , DQOs, SST, SSV, NT, N-NH4 y N-NO₃. Se determinó que aplicando un flujo de aire de 55 m³/h se obtuvieron remociones de 77% de la DQOt, 62% de N-NH4 y 24% de NT. Con un flujo de aire menor, de 26 m³/h las remociones fueron de 68%, 23 y 15% para DQOt, N-NH₄ y NT respectivamente. La remoción del nitrógeno disminuyó con la disminución de la cantidad de aire, pero la remoción de la materia orgánica fue suficiente para cumplir con la norma para reùso aplicando ambos flujos de aire. La remoción de SST fue del 71% durante toda la fase experimental, teniendo 30 mg/l a la salida del separador secundario de alta tasa. La cantidad promedio de la biomasa inmovilizada en de los soportes de plástico fue de 25 g SV secos/m². La cantidad de sólidos suspendidos volátiles o biomasa en suspensión en los biorreactores durante todo el experimento fue en promedio de 178 mg/L para el Biorreactor 1 y de 200 mg/l para el Biorreactor 2. Los promedios del tiempo de retención celular fueron de 4.0 días para el período con el flujo de aire de 55 m³/h y de 3.5 días para el período con el flujo de 26 m³/h. Los tiempos de retención celular no fueron suficientes para una nitrificación completa pero sí fueron suficientes para la remoción de materia orgánica. Se concluyó que puede utilizarse la menor cantidad de aire sin tener algún efecto negativo significativo en la remoción de materia orgánica disminuyendo así el costo de energía eléctrica en un 28%.

Palabras clave: Aireación, lecho móvil, tratamiento de aguas residuales.

Introducción

La limitación de espacios para instalar plantas para tratamiento de aguas residuales obliga a desarrollar nuevas tecnologías para incrementar la capacidad de los sistemas depuradores por unidad de área construida, tanto de nuevos sistemas como para aumentar la eficiencia de las plantas ya existentes. Una alternativa son los sistemas que utilizan biomasa adherida sobre un soporte (Chen et al., 2000). La biomasa está constituida por conglomerados de microorganismos. Predominan las bacterias heterótrofas, impartiendo al conjunto adhesión gracias a la producción de polímeros extracelulares, principalmente polisacáridos. Las bacterias se agrupan en colonias con el objeto de buscar protección ante posibles condiciones adversas del medio (Christensen y Characklis, 1990; González, 1996).

En las últimas décadas se ha presentado un creciente interés en el sistemas de tratamiento con biomasa adherida a soportes de plástico que son suspendidos en la fase líquida formado un lecho móvil dentro de los reactores biológicos. Los biorreactores de lecho móvil (MBBR, moving bed biofilm reactor) fueron desarrollado por Ødegaard y Rusten en Noruega a principios de los años noventa (Ødegaard et al., 1993; Rusten y Eliassen, 1993, 1994). Sus ventajas son que requieren menos espacio, los resultados son poco dependientes de la separación de la biomasa, el retorno de lodos no es indispensable (Igarashi et al; 1999). Por ser una tecnología simple, robusta, flexible y compacta, el sistema con MBBR es frecuentemente usado para pequeñas plantas de tratamiento de aguas residuales. La tecnología, en sus diferentes configuraciones, ha demostrado tener éxito en la remoción de DBO, en la biooxidación del N-NH₄ y en la remoción de nitrógeno total cuando esto se requiere (Hem et al.,1994; Kermani, 2008). La efectividad del sistema depende de los diferentes parámetros de diseño y operación, como lo son carga orgánica, tiempo de residencia hidráulica, cantidad de biomasa en el reactor, tiempo de retención de la biomasa y cantidad de aire suministrado al reactor.

El empaque plástico es el material más frecuentemente usado para el soporte de la biopelícula. Las propiedades más importantes son el área del lecho, la densidad, la rugosidad y porosidad, el porcentaje de espacios vacios, la durabilidad, y su influencia en la efectividad del proceso. Grandes superficies permiten más biomasa por unidad de volumen; mientras que más espacios vacíos permiten una mejor transferencia de oxígeno. Las densidades específicas de área de 100 a 300 m²/m³ han sido probadas como viables (Wuertz et al., 2003; Schlegel and Koester, 2007). En los MBBR la aireación se usa para suplir el oxígeno requerido por las bacterias para su actividad metabólica, para remover el exceso de lodo de los medios de soporte mediante fuerzas cortantes del aire turbulento y para aumentar la transferencia de masa. El aire se suministra mediante sopladores y difusores de burbuja fina o tubos perforados.

Una planta de tratamiento con MBBR fue construida para el tratamiento de las aguas residuales del Centro de Investigación de Energía de la UNAM en Temixco, Morelos, México. El efluente de la planta cumple con la norma referente a reutilización para riego de áreas verdes NOM-003-SEMARNAT/1998. El objetivo de este trabajo fue el determinar el efecto de la aireación sobre la remoción de la materia orgánica y nitrógeno en los biorreactores de lecho móvil de esta planta para evaluar la posibilidad de disminuir la cantidad de aire que actualmente se está suministrando a los biorreactores y así reducir el consumo de energía eléctrica.

Metodología

La experimentación se llevó a cabo en la planta de tratamiento de aguas residuales del Centro de Investigación de Energía de la UNAM en Temixco, Morelos, México. El diagrama de flujo de proceso se muestra en la Figura 1. Como se puede observar, se tienen dos biorreactores en serie. Las dimensiones de cada biorreactor son: 2.2 m de largo, 1.3 m de ancho y 1.3 m de profundidad, con un volumen de 1.13 m³. Cada biorreactor contiene 339 piezas de soporte plástico para el crecimiento de la biopelícula con un área biodsiponible de 78 m². Los biorreactores se han diseñado con una carga orgánica de 0.06 kg DBO.m^-2.d^-1. El caudal de diseño fue de 0.2 L/s y el TRH de 3.1 h.

Figura 1. Diagrama de flujo del sistema de tratamiento de las aguas residuales

Para la aireación se utiliza un soplador regenerativo marca Rotron Modelo DR-505CD72M, para trabajar a 1,247 m sobre el nivel del mar, cantidad de aire de 32 SCFM para una columna de agua de 1.20 m. El motor del soplador es de 2.5 HP, 3 fases 60 Hz, voltaje 230/460, con un factor de servicio de 1.15. Para la difusión del aire se usan tubos perforados instalados en el fondo del los reactores. La cantidad de oxígeno necesario para la biodegradación de la materia orgánica y para la remoción de nitrógeno, calculada teóricamente fue de 38.33 m³/h (22.5 CFM). Para la experimentación se seleccionaron dos flujos de aire: Q1 de 55 m³/h (32 SCFM) y Q2 de 26 m³/h (15 SCFM). Se instaló un motovariador de frecuencia al motor del soplador para que mediante el ajuste de Hertz disminuya la potencia del soplador y entregue la cantidad de aire Q2. El primer período de evaluación con Q1 tuvo una duración de 11 días, luego se disminuyó el caudal de aire a Q2 y se evaluó el proceso en un período de 16 días.

Durante toda la experimentación se realizaban muestreos dos veces por semana en la planta de tratamiento, en los puntos antes y dentro de los biorreactores, así como después del sedimentador secundario. Las muestras se analizaban para la determinación de: DQOt, DQOs, SST, SSV, NT, N-NH4 y N-NO3. Los análisis se realizaron de acuerdo al Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 1998.

Resultados

Demanda química de oxígeno total y soluble (DQOt, DQOs). Las variaciones de los valores de DQO total y soluble se presentan en las Figuras 2 y 3 respectivamente. Los resultados del día 1 al 11corresponden al período de evaluación del efecto del caudal de aire Q1 y del 12 al 28 corresponden al caudal Q2. Con el caudal Q1 se obtuvo una remoción promedio de 77%, siendo el promedio de DQO total en el influente de 421 mg/l. El caudal del agua residual a la planta fue de 7,150 L/día y se calculó un tiempo de residencia hidráulica de 7.6 h y una carga orgánica volumétrica de 1.42 kg DQO.m^-3.d^-1. Durante la segunda fase experimental, cuando se aplicó el caudal de aire Q2, se obtuvo una remoción promedio de DQO del 68%. Durante este periodo la DQO total promedio en el influente fue de 359 mg/L y el caudal promedio de 6,087 L/d. Con estos parámetros se determinó un tiempo de residencia hidráulica de 8.9 h y una carga orgánica volumétrica promedio de 0.95 kg DQO.m^-3.d^-1. La remoción promedio de DQO soluble se calculó de 59% para el período con Q1 y de 56% para el período con el menor flujo de aire Q2.

Relación DQO/DBO. Con el objeto de obtener una relación entre DBO y DQO en el influente y en el efluente del MBBR, se obtuvieron tres muestras simples del influente y del efluente durante el periodo de la experimentación con Q2, determinando en ésta DBOtotal y DQOtotal. Las relaciones promedio de DQOi/DBOi y DQOe/DBOe fueron de 3.31 y 3.63 con desviaciones estándar de 0.16 y 0.21 respectivamente. La relación DQO/DBO obtenida en el agua residual no es muy característica para aguas residuales de origen doméstico o municipal. Se piensa que esto se debe a descargas de sustancias químicas en las tarjas de los laboratorios que luego son conducidas a la planta de tratamiento de aguas residuales. Con la relación DBO/DQO obtenida para el efluente y los promedios de DQO determinados para cada período experimental, se calcularon DBO₅ promedio de 27 y 30 mg/L para las fases experimentales con Q1 y Q2 respectivamente. Es decir, la disminución del caudal de aire de 55 m³/h a 26 m³/h no provocó incumplimiento del requerimiento de la NOM-003-SEMARNAT/1998 para reuso del agua residual tratada en riego de áreas verdes.

Sólidos suspendidos totales (SST). La concentración de los SST en el influente a los biorreactores varió entre 50 y 350 mg/L, con promedios de 186 y 115 mg/L durante los períodos con Q1 y Q2 respectivamente. Los promedios de la concentración de SST en el efluente del sedimentador secundario fueron de 30 mg/L durante los dos períodos experimentales.

Cantidad de biomasa adherida y en estado suspendido. Para cuantificar la cantidad de la biomasa en los biorreactores se realizó la determinación de cantidad de biomasa adherida. Para tal efecto se cuantificó primero la cantidad de biomasa adherida a un empaque de cada biorreactor, se multiplicó por el número de soportes en los reactores y se dividió entre el volumen de los reactores y entre el área total biodisponible de los soportes. Como resultado se obtuvo un promedio de la biomasa adherida de 1,722 mg SSV/L. Esta cantidad de biomasa se relacionó con la superficie biodisponible de los soportes obteniéndose un valor de 25 g SSV secos/m². El promedio de SSV en los dos biorreactores (biomasa en estado de suspensión) fue de 185 mg/L durante el período con Q1 y de 196 mg/L durante el período con Q2.

Figura 2. Remoción de materia orgánica medida como DQO total.

Figura 3. Remoción de materia orgánica medida como DQO soluble.

Tiempo de retención celular (TRC).Se calcularon los tiempos de de retención celular de las fases experimentales con Q1 y Q2, los cuales fueron en promedio de 4.0 y 3.5 días respectivamente. Basándose en el resultado obtenido de la cantidad de biomasa en los reactores (suspendida y adherida) se determinaron las cargas orgánicas másicas durante los períodos Q1 y Q2; éstas fueron de 0.75 y 0.50 kg DQO.kg SSV^-1.d^-1, respectivamente.

Nitrógeno total (NT), nitrógeno amoniacal (N-NH₄) y nitratos (NO³)Los resultados de la variación del NT y su remoción se presentan en la Figura 4. Durante la experimentación se obtuvo una remoción promedio del nitrógeno total de 25% utilizando el caudal mayor de aire (Q1 de 32 SCFM ó 55 m³/h) con el cual se obtuvo una concentración de OD de 6.1 mg/l. Al bajar la aireación a Q2 de 15 SCFM ó 26 m³/h se obtuvo una concentración de OD de 3.9 mg/L y la remoción disminuyó al 15%. Los resultados de la variación del NT y su remoción se presentan en la Figura 5. La remoción del nitrógeno amoniacal con Q1 fue de 41%, con una concentración promedio de N-NH₄ en el efluente de 13 mg/L. Al bajar el aire a Q2 se obtuvo un porcentaje de remoción del 23%, con una concentración promedio de N-NH4 en el efluente de 101 mg/L. En la Figura 6 se aprecia la generación de nitratos en el efluente de los biorreactores. La generación de nitritos en el efluente en condiciones Q1 en promedio fue de 11 mg/L y en condiciones Q2 de menor aireación de 9 mg/L.

Balance de nitrógeno.Para analizar las transformaciones del nitrógeno en el sistema de tratamiento biológico estudiado, se partió del siguiente balance de masa:
NT en el influente = N orgánico en el efluente + N amoniacal en el efluente + Nitratos y nitritos en el efluente + N bioasimilado + N₂

Se calculó la cantidad de nitrógeno necesario que debe estar presente en al agua residual para la formación de la biomasa, siendo de 2.09mg/L de Nitrógeno requerido para la bioasimiliación con condiciones Q1, y de 0.32 mg/L de Nitrógeno requerido para las condiciones Q2. El N orgánico en el influente se obtuvo por diferencia entre el NT menos el N-NH₄. Para el caso del efluente, N orgánico se calculó restando del NT el N-NH₄ y N-NO₃. En este estudio no se midieron los nitritos ya que se consideró que debido a la su inestabilidad, la concentración es pequeña y no influye significadamente en la determinación de las remociones de nitrógeno.

Figura 4. Remoción del nitrógeno total.

Figura 5. Remoción del nitrógeno amoniacal.

Figura 6. Concentraciones de nitratos en el efluente.

En la Tabla 1.se observa que las remociones de N-NH₄ y de N orgánico fueron de 41% y 34% respectivamente. La remoción del N-NH₄ se atribuye básicamente a nitrificación y a bioasimilación. En el efluente se determinó una concentración promedio de N-NO₃ de 11 mg/L. Para las condiciones de operación durante el periodo con Q1 se determinó una cantidad de N requerido para el crecimiento de la biomasa de 2.1 mg/L La remoción de N orgánico se puede atribuir a una transformación a N-NH₄ y a una adsorción a las partículas (sólidos) suspendidas, las cuales se remueven en el sedimentador secundario. En este estudio no se ha determinado la cantidad de nitrógeno extraída con la biomasa del sistema de tratamiento, por lo cual no se puede calcular la fracción correspondiente a Norg → N-NH₄. De los resultados presentados en la Tabla 1. se puede determinar que la suma N-NH₄ efluente + N-NO₃ efluente + N bioasimilado es de 26 mg/L. Esto significa que por lo menos 4 de los 27 mg/L de N orgánico removido se han transformado a N-NH₄. Si la fracción de N transformado es mayor, se puede decir que en el sistema pudo haber tenido lugar una desnitrificación. Es decir, de los resultados obtenidos no se puede deducir si en el sistema hubo desnitrificación, pero la nitrificación sí quedó demostrada.

Tabla 1. Balance de nitrógeno con condiciones Q1

Parámetro	Influente	Efluente	Removido,mg/L	Remoción %
NT	101	76	25	25
N-NH4	22	13	9	41
Norgánico	79	52	27	34
N-NO3	0	11

Las concentraciones y remociones promedio obtenidas para las condiciones de aireación Q2 se presentan en la Tabla 2. Como se puede observar, en este caso todo el nitrógeno presente en el influente fue nitrógeno amoniacal y la concentración promedio de los nitratos en el efluente fue de 9 mg/L. La suma de N-NH₄ y N-NO₃ en el efluente es de 110 mg/L. La diferencia entre este valor y el valor promedio del NT en el efluente es de 1 mg/L y se puede atribuir a presencia de nitritos.

Tabla 2. Balance de nitrógeno con condiciones Q2

Parámetro	Influente	Efluente	Removido,mg/L	Remoción %
NT	131	111	20	15
N-NH4	131	101	30	23
Norgánico	0	0	0	0
N-NO3	0	9

Para las condiciones Q2, cuando se aplicó menor cantidad de aire, se determinaron remociones de N-NH₄ y de N orgánico menores que las obtenidas en el periodo anterior, de 15% y 23% respectivamente. La cantidad removida de N-NH₄ fue de 30 mg/L, parte de estos se convirtieron en nitratos y nitritos (10 mg/L), parte se bioasimila (0.3 mg/L) y la otra parte se puede atribuir a una transformación en N₂ (desnitrificación). En este caso la nitrificación fue menor comparada con el período anterior, pero el balance indica una transformación a N_{2 de 20 mg/L de NT. >}

Conclusiones

Los biorreactores de lecho móvil del sistema de tratamiento en estudio permitieron obtener remociones de DQO total de 77% aplicando un caudal de aire Q1 de 32 SCFM (55 m³/h) y del 67% con aire Q2 de 15 SCFM (26 m³/h), lo cual está dentro de los intervalos reportados para estos sistemas en la literatura. En cuanto a la remoción de DQO soluble se obtuvo una remoción del 63% con las condiciones Q1 y del 56% con las condiciones Q2. La remoción del nitrógeno amoniacal fue de 41% para el período cuando se aplicó Q1 y de 23% para Q2. La remoción de nitrógeno total fue de 25% para el período cuando se aplicó Q1 y de 15 % para Q2. En ambos casos la remoción disminuyó al disminuir la cantidad de aire. La remoción de SST fue del 71% durante toda la fase experimental, teniendo 30 mg/l a la salida del separador secundario de alta tasa.

Considerando que se puede utilizar la cantidad de aire 26 m³/h en lugar del generalmente utilizado de 55 m³/h, sin afectar significativamente la remoción de materia orgánica, el costo de la energía puede disminuir en un 28%, lo cual se refleja en una disminución en el costo por metro cúbico de agua tratada en un 15%.

La cantidad de sólidos suspendidos volátiles o biomasa en suspensión en los biorreactores durante todo el experimento fue en promedio de 178 mg/L para el Biorreactor 1 y de 200 mg/l para el Biorreactor 2. La cantidad promedio de la biomasa inmovilizada en de los soportes de plástico fue de 25 g SSV secos/m². Los tiempos promedio de retención celular para el período con Q1 fue de 4.0 días y para el período con Q2 fue de 3.5 días. Los tiempos de retención celular no fueron suficientes para una nitrificación completa pero sí fueron suficientes para la remoción de materia orgánica.

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