Biorreactores de crecimiento adherido y suspendido operados por carga y secuencialmente para la remoción de nitrógeno

Abstract

Hoy en día es una práctica establecida que los procesos de nitrificacióndesnitrificación estén incorporados en la mayoría de los diseños de plantas de tratamiento de líquidos residuales para garantizar la remoción de las formas oxidadas de nitrógeno, cuya presencia está asociada a la eutrofización de cuerpos de agua lénticos y a problemas de salud cuando existe aprovechamiento y reuso de aguas residuales. Así mismo los reactores por carga secuenciales, variante del conocido proceso de lodos activados, y cuyo funcionamiento es realizado en un marco temporal secuencial utilizando un único reactor para todos los pasos del proceso, es una alternativa económica viable a los sistemas de flujo continuo para remover nutrientes, especialmente en el caso de comunidades pequeñas e industrias cuyas descargas líquidas son fluctuantes. El objetivo general de esta tesis es investigar sobre la remoción de nitrógeno por nitrificación-desnitrificación a través de procesos aerobios-anóxicos, utilizando líquido residual sintético de concentración débil, representativa de los efluentes domésticos del país, y utilizando biorreactores, de biopelícula y de crecimiento suspendido, operando en forma secuencial, y en particular el desempeño de un sistema formado por un reactor de crecimiento adherido acoplado con un reactor de lecho suspendido floculento. La parte experimental fue dividida en dos fases. Las cuatro (4) experiencias de la fase 1 fueron diseñadas para realizar un ciclo de 24 horas incluyendo la secuencia típica de operación de los reactores por carga secuenciales: llenado, reacción (con o sin aireación), sedimentación y descarga. Para la experiencia 1 fue usado un lecho de crecimiento adherido, a escala de laboratorio, y hubo recirculación de los sólidos en el lecho durante la etapa de reacción. Las experiencias 2, 3 y 4 de esta fase permitieron analizar la desnitrificación usando uno (1) o tres (3) reactores por carga secuencial. Todas fueron operadas con un subciclo de 2 horas y 15 minutos para remover carbono (utilizando melaza equivalente a 150 mg/L de DQO) seguido de un subciclo de 21 horas y 45 minutos para desnitrificar (utilizando NaNO3 con una concentración de 20 mg-N/L). Cada subciclo usaba un caudal de 6 l/d de alimentación. El ciclo básico diseñado para las tres experiencias vii incluía solo 15 minutos de reacción durante el subciclo de remoción de carbono y 20 horas de reacción anóxica para el subciclo de desnitrificación. El lecho biopercolador usado en este estudio es un sistema prometedor para la conversión a amonio a nitrato y a nitrógeno gaseoso y el comportamiento hidráulico correspondió a un régimen de mezcla completa. Los RCS utilizados en la Fase 1 alcanzaron tasas de remoción de nitratos y nitrógeno total, en muchos casos mayores que las reportadas para procesos continuos y para RCS con secuencias operacionales semejantes a las propuestas aquí. En la fase 2 fue diseñado un sistema combinado que incluía un reactor de biopelícula (RCSB) para nitrificar el líquido residual sintético de concentración débil (utilizando leche en polvo y pectona como fuente de carbono y NTK) y cuyo efluente servirá de alimentación a un reactor de crecimiento suspendido (RCS), donde es promovida la desnitrificación -ambos modelos usados en la fase 1-. El sistema opera en forma intermitente y secuencial 4 ciclos por día. Para sobreponerse a la disminución de materia carbonosa –asociada a la operación del RCSB- y requerida por las bacterias heterótrofas desnitrificantes, la alimentación del RCS se completa con una fracción volumétrica de agua cruda (α), restante del agua cruda de llenado (1- α) del RCSB. La secuencia típica de operación para ambos subsistemas (RCSB y RCS) fue: llenado, 15 min; reacción, 4h y 30 min; sedimentación, 45 min; descarga, 15 min. Adicionalmente se incluyó una fase de aireación/agitación de 15 minutos en el RCS antes de la sedimentación. Al finalizar el subciclo del RCSB el efluente nitrificado se envía al RCS en conjunto con la fracción volumétrica α de agua residual sintética cruda. Fueron utilizados tres valores de la fracción α: 0,5; 0,2 y 0. El RCSB iniciará en forma independiente un nuevo ciclo de nitrificación al terminar de alimentar con su efluente al RCS. De la misma forma el RCS, una vez completadas sus operaciones, iniciará un nuevo ciclo. La desnitrificación en el RCS alcanzó 99, 77 y 76 %, observándose valores de nitrato extremadamente bajos para α1 (0,05 mg- N/L) y de 3,6 y 3,9 mg-N/L para α2 y α3. No obstante, la introducción de NTK - al añadir la fracción de líquido residual- que mejoró la desnitrificación, por otra parte incrementó el Nt efluente ya que el ambiente anóxico del RCS no es apropiado para remover esta forma de nitrógeno. El sistema combinado propuesto permitió obtener resultados comparables a los obtenidos por otros investigadores trabajando con reactores por carga secuenciales tanto, en el caso de las tasas superficiales de formación de nitrato y remoción de amonio alcanzadas en el RCSB como con las tasas de desnitrificación obtenidas en el RCS y en este caso mostraron una relación directa con los valores α ensayados. La remoción de NTK en el RCSB muestra que el 37% sufrió desnitrificación y el 63% nitrificación. La desnitrificación llevada a cabo en el RCS fue superior al 75% y el sistema combinado permitió remover el 46% de N en el RCSB y el 54% en el RCS. Los datos experimentales de desamonificación, desnitrificación y remoción de carbono se ajustaron al modelo de Monod en la zona donde es transformada en una cinética de primer orden (Ksaturación > CN). Dichos datos permiten ajustar los períodos de operación de los RCSB y RCS para obtener la conversión de amonio a nitrato y la desnitrificación de manera tal que el efluente cumpla con la normativa legal requerida.