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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental
I-183 - APLICACIÓN DE UN REACTOR DISCONTINUO SECUENCIAL (SBR) EN EL TRATAMIENTO DE EFLUENTES LÁCTEOS Gabriela Castro Carballo Ingeniería Química (1999). Profesor Ayudante en el Dpto. de Ingeniería de Reactores. Instituto de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería. Rosario de Oliveira Ingeniería Química (1986). Responsable de Gestión Ambiental en la Empresa CONAPROLE. Docente en UNIT del curso de Diploma de Especialista de Gestión Ambiental. María Viñas Sendic(1) Ingeniero Químico (1969). Posgrado: Instituto Mendeleev, RUSIA (1980). Investigador en la Coordinación de Ingeniería Ambiental, Instituto de Ingeniería, UNAM, México, (1980-1985). Actualmente Profesor Titular, Dpto. de Ingeniería de Reactores del Instituto de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería. Montevideo, URUGUAY. Dirección(1): Facultad de Ingeniería, Instituto de Ingeniería Química. Julio Herrera y Reissig 565, CP 11300 Montevideo, Uruguay. Tel: 598-2-7109398 int 101 - Fax: 598-2-7107437 - e-mail: [email protected] RESUMEN El tratamiento de efluentes lácteos realizado con un sistema de lodos activados presentaba dificultades en su funcionamiento no cumpliendo con los requerimientos establecidos. Con una inversión menor, el sistema fue modificado para funcionar como un Reactor Discontinuo Secuencial (SBR), (Irvine et al., 1997) con la posibilidad de eliminación de carbono y nitrógeno, siendo el primer sistema de este tipo funcionando en el país. El efluente contiene restos de leche, lavados con soda y con ácido nítrico y enjuagues (Danalewich, et al. 1998, Orhon et al. 1993). El proceso industrial genera en forma intermitente 60 m3/día de agua residual durante 8 horas al día. Se definieron las cargas promedio en Kg de DQO, de DBO5, de nitrógeno y fósforo por día. Se determinaron en el laboratorio los parámetros cinéticos con ensayos respirométricos con procedimientos similares a los desarrollados por Kappeler y Gujer, (1992), Orhon y Artan, (1994) y Orhon et al. (1999). Con los parámetros cinéticos se estimaron las formas y los tiempos de operación del sistema real en diferentes condiciones. Las condiciones fueron verificadas a escala real. Con el sistema SBR se obtuvieron eficiencias de 97.8% en DQO, 99% en DBO5 y una concentración de nitrógeno total residual como N-NO3 menor a 1 mg/L. PALABRAS-CLAVES: Sistema SBR, Efluente Lácteo, Parámetros Cinéticos, Velocidad de Consumo de Oxígeno (VCO), Ensayos Respirométricos.
INTRODUCCION Para el tratamiento de los efluentes de una industria de recepción, y envasado de leche se dispone de un tanque abierto de 150 m3 (120 m3 de volumen de líquido), con dos aireadores instalados de 10 HP cada uno, un sedimentador de 34 m3 y un tanque cerrado para digestor anaerobio de 180 m3. La planta fue proyectada como un sistema de Lodos Activados. La generación de los efluentes en la planta industrial es de forma intermitente con grandes variaciones de caudal y de pH debido a los lavados con soda y ácido nítrico. La planta genera durante aproximadamente 8 horas efluentes y no trabaja los domingos. Estas condiciones hacen muy dificultoso el funcionamiento de la planta de tratamiento en continuo y en estado estacionario, condición necesaria para el funcionamiento de un sistema de Lodos Activados clásico. Aunque los sistemas SBR fueron considerados desde los inicios de los estudios de lodos activados, su estudio sistemático comienza en los años 70 (Irvine y Busch, 1979). La primera conferencia internacional de especialistas de la International Association of Water Quality en tecnología SBR se realiza en 1996 en ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental
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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental Munich (Wilderer, P.A. et al., 1997). Estos sistemas permiten, además de eliminar carbono, eliminar nitrógeno y fósforo. Pero además, la variación de sus condiciones de funcionamiento en aeróbicas, anóxicas y anaerobias permite mejorar las condiciones de sedimentabilidad de los lodos, evitando la aparición de lodos esponjosos (“bulking”) de frecuente aparición en los lodos activados (Irvine et al, 1997, Droste, 1997). Su funcionamiento no estacionario le da versatilidad para el caso de generación de efluentes en forma intermitente. El esquema básico de funcionamiento de los SBR se muestra en la Figura 1: Figura 1.- Esquema de un ciclo en un sistema SBR. Influente Efluente tratado 1-Anóxicoanaerobio
2-Llenado Desnitrificación
3-Aireación Agitación
4-Sedimentación
5-Vaciado
Estos antecedentes hacen atractiva su aplicación en la industria considerada. Para esto, primero se caracterizó el efluente y se realizaron ensayos de laboratorio para determinar los parámetros cinéticos principales. Posteriormente se modificó el sistema real y se verificó su funcionamiento en distintas condiciones de operación en escala real.
MATERIALES Y MÉTODOS Caracterización del efluente: En la Tabla I se indican algunos valores medidos en forma aleatoria por la empresa a la salida de un pozo de bombeo a donde llegan los efluentes antes de ser bombeados a la Planta de Tratamiento. El pozo de bombeo tiene del orden de 3 hs de tiempo de residencia: Se realizó además una muestra ponderada de la salida de todo un día y se midió el DQO. El pH medio fue 8. Aplicando la relación promedio DBO5/DQO para efluentes lácteos de 0.64, al valor medio de DQO obtenido le corresponden 1540 mg DBO5/L.
Tabla I.- Concentraciones en el efluente. Muestras 1 2 3 DBO5 (mg/L) 1770 1290 1630 pH 8 5.5 7
4 1380 11
5 1760 7
6 1310 7
7 1085 10
8 1150 7
Ponderada 1540 (DBO5) 2400 (DQO)
Por otro lado para los distintos componentes de la leche se tiene que: 1 kg de grasa ➜ 1kg de proteínas ➜ 1 kg de lactosa ➜
equivale a equivale a equivale a
➜ ➜ ➜
3.0 kg de DQO 1.36 kg de DQO 1.13 kg de DQO
Considerando que la composición media de los distintos tipos de leche es la indicada en la Tabla II se pueden determinar los gramos de DQO por litro de leche y el porcentaje de aporte de cada uno de sus componentes (Tabla III):
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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental Tabla II.- Composición media de los distintos tipos de leche (Contenidos en 100 g). Tipo de leche. Proteínas Grasas Carbohidratos N (g) (g) (g) (g) Entera 3.5 3.5 5 0.55 Común 3.1 2.6 4.7 0.49 Descremada 3.1 0.1 4.7 0.49 Tabla III.- DQO de la leche y DQO de sus componentes. Tipo de leche g DQO/L leche % DQO grasa %DQO proteínas Entera Común Descremada
209 173 98
50 45 3
23 24 43
% DQO lactosa 27 31 54
P (mg) 90
DBO5/DQO 0.5 0.64
Con la información anterior y para los valores promedio de recibo de leche en la Planta se estima para diferentes niveles de pérdidas, la carga total de contaminantes (Tabla IV). Tabla IV.- Estimación de la contaminación según el porcentaje de pérdidas. kg DQO/d kg DBO5/d kg P/d Pérdidas m3 leche/día 1.5% 0.5 105 70 0.45 2% 0.66 138 92 0.59 2.5% 0.83 173 116 0.74
kg N/d 4.5 5.4 5.8
Se consideró el nitrógeno correspondiente al gasto promedio diario de ácido nítrico y el nitrógeno debido a las proteínas en las pérdidas. El fósforo corresponde a las pérdidas de leche ya que en la planta no hay gasto adicional de elementos con fósforo. Con los datos de la Tabla III y el gasto promedio de agua se estimaron las concentraciones de contaminantes en el efluente (Tabla V). Con los resultados de la Tabla I y V se puede suponer que el valor de las pérdidas está en el orden del 2 % o ligeramente menor.
Tabla V.- Concentraciones de contaminantes según las pérdidas. Pérdidas mg DQO/L mg DBO5/ L 1.5% 1750 1172 2% 2300 1541 2.5% 2883 1932
mg N/L 75.5 90.5 105.5
mg P/L 7.5 10 12.5
Ensayos de laboratorio: Se realizaron ensayos respirométricos en un reactor batch de aproximadamente 7 litros. Se utilizó una relación DQOsoluble/DQOcelular de aproximadamente 2.9, valor recomendado por Kappeler and Gujer (1992). Se midió DQO total y soluble al comienzo y al final del ensayo y velocidad de consumo de oxígeno (VCO) a lo largo del tiempo. Para DQO se utilizó la técnica colorimétrica del Standard Methods (1995). La VCO se registró en forma automática con un medidor de oxigeno digital YSI Modelo 58 y el registro en continuo se realizó con un equipo construido en el Departamento de Control de la Facultad de Ingeniería. Los ensayos en el laboratorio fueron realizados 1- con un efluente que simulaba el efluente de la planta y lodos generados en el laboratorio con tiempo de residencia celular (TRC) de aproximadamente 10 días y con un período de aclimatación de los lodos al efluente; 2- con un efluente que simulaba el efluente de la planta con lodos provenientes de la planta, con un TRC no bien determinado. En este caso los ensayos se hicieron sin aclimatación. Los ensayos y sus cálculos se basan en la técnica descrita por Orhon y Artan (1994) y por Kappeler and Gujer (1992). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental
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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental Los cálculos se basan en suponer que para las relaciones iniciales entre DQO y SSV en que se hace el ensayo, en la etapa inicial de crecimiento exponencial del proceso discontinuo no hay limitaciones de sustrato y que además se tiene un exceso de oxígeno y por lo tanto tampoco limita la reacción. En este caso la VCO puede plantearse como: . (1) VCO = [(1-YH)/YH ].µmáx.XH + (1-fp).bH.XH YH = g DQO celular /g DQO removido µmáx = velocidad máxima específica de crecimiento. (d-1) fp = fracción de biomasa no biodegradable (≅ 0.2) XH = biomasa expresada como DQO celular. bH = g de oxígeno consumido por g de biomasa día (d-1) El balance de masa para la biomasa heterótrofa sin limitaciones de oxígeno o de sustrato es el siguiente: dXH/dt = (µmax-bH).XH
(2)
Si se integra y el resultado se introduce en (1) se obtiene: VCO/VCOi = e(µmax-bH).t
(3)
Ln (VCO/VCOi) = (µmáx-bH).t
(4)
El valor de µmáx-bH, puede ser entonces determinado de la primera etapa de la curva de consumo de oxígeno en donde se cumple que el sustrato no es limitante. El valor de YH se estima según la ecuación (5) (Orhon et al, 1999) donde ∆O2 es el total del oxígeno consumido para la correspondiente variación del DQO soluble. Se puede suponer con poco error que el valor de bH es aproximadamente 5% de la µmáx. YH está expresada en g DQO celular /g DQO total consumido. Utilizando el factor de conversión de Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV) a su valor equivalente en DQO de 1.42 se puede expresar el crecimiento en g SSV/g DQO total consumido (Y). YH = 1 - ∆O2 / ∆DQOsoluble
(5)
Ensayos a escala real: Con los resultados de laboratorio se adaptó el tanque de aireación de 180 m3 para funcionar de acuerdo al esquema de la Figura 1. En el tanque se guardan del día anterior 60 m3 de agua ya tratada con los lodos sedimentados, conteniendo el nitrógeno que pudiera estar en exceso como NO3 (Etapa 1). Se agregan al tanque los 60 m3 del efluente del día (Etapa 2). En esta etapa anóxica (sin oxígeno pero con nitrato) se desnitrifica el resto de nitrato que queda en el tanque así como el nitrato que entra con el efluente, eliminándose una fracción de DQO en este proceso. La reacción que se produce en este caso es la siguiente: NO-3 + (carbono orgánico) + (bacterias desnitrificantes) → N2 + CO2 + H2O + OH-
(6)
La reacción (6) se produce por bacterias aeróbicas heterótrofas que pueden crecer en ausencia de oxígeno con nitrato o nitrito. Posteriormente se airea entre 4 y 5 horas (Etapa 3) eliminándose el carbono y nitrificándose el nitrógeno orgánico en exceso. La eliminación de carbono se realiza por bacterias heterótrofas y la reacción puede representarse por la reacción (7): (7) DQO + (1- YH) O2 (bact.heterót ) = (YH) X (crecimiento) + CO2, , H2O , NH3 , P+ energía Los procesos biológicos de transformación de amoníaco en nitrato se llevan a cabo por bacterias autótrofas. La fuente de energía es el compuesto reducido de nitrógeno y la fuente de carbono es el anhídrido carbónico.
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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental A baja relación C/N se favorece la nitrificación o sea que ésta comenzará al bajar en el reactor discontinuo la concentración de carbono. La ecuación global del proceso de nitrificación se puede representar por la reacción (8): NH+4 + 2 O2 (bacterias nitrificantes) → 2 NO-3 + 2H+ + H2O
(8)
Posteriormente se deja sedimentar (Etapa 4) y se vacían 60 m3 del sobrenadante (Etapa 5). La purga de lodo se realiza por una bomba sumergible del lodo sedimentado. Los lodos pasan al digestor anaerobio. La única inversión realizada para modificar la planta de tratamiento fue un tubo flexible y un flotador que se conectaron a las bombas existentes, para realizar la succión superficial y un control de nivel para cortar la succión cuando se llegaba a la mitad del tanque. Para el arranque del aireador y el arranque de la succión se utilizaron “timers” ya existente. Con los datos cinéticos de laboratorio se realizaron los balances de biomasa, sustrato y oxígeno y se determinó el tiempo de reacción para alcanzar las condiciones requeridas (menos de 5 horas). El tiempo de residencia celular se estimó del orden de 15 días y 2-2.3 kg/m3 los SSV en el reactor con 120 m3 de volumen. Los valores medios resultantes fueron para la producción de lodos 32-36 kg SSV/día, el requerimiento de oxígeno de los microorganismos ≅ 80 kg O2/día y su valor en condiciones estándar ≅ 110 kg O2/día. Tomando en cuenta el nitrógeno removido en la producción de lodos y la eliminación de nitrógeno por desnitrificación se podía predecir que la concentración de nitrógeno residual sería menor a 1 mg/L en NO3-. Se previó que el lodo al sedimentar podía llegar a concentraciones 3 veces mayores (≅ 7 kg SSV/m3) o sea que era necesario sacar del orden de 4.8 m3/día de lodos sedimentados al digestor anaerobio de la planta. El sobrenadante del digestor se retorna al reactor aeróbico. El proceso es no estacionario y el requerimiento de oxígeno va a ser variable. Dado que la generación de efluentes se realiza durante 8 horas al día, el proceso de aireación puede realizarse de diversas formas. En particular se decidió ensayar dos formas de operar el reactor: 1- comenzar a airear 4 horas antes de terminar el llenado, 2- airear una vez completada la generación de efluentes. Esta última forma de funcionamiento sería la más exigida al comienzo de la aireación, en cambio era de esperar un requerimiento de oxígeno más parejo en el primer caso. Se decidió verificar en el SBR real los consumos de oxígeno estimados para las dos condiciones, de forma de determinar en qué caso era menor el gasto de aireación. El sistema tenía instalados dos aireadores superficiales de 10 HP con una eficiencia del orden de 1.1-1.2 kg O2/HPh. Se decidió operar sólo con un aireador dada que la estimación del máximo de oxígeno que se requeriría era del orden de 13-14 kgO2/h al inicio de la aireación con el máximo de sustrato y que rápidamente este requerimiento disminuiría. Se midieron en planta VCO para las dos diferentes condiciones de funcionamiento. Para esto se utilizó un equipo de campo marca YSI. Se determinó la velocidad de consumo de oxígeno desde el momento del arranque del aireador, determinándose para cada punto en que se midió la VCO, el volumen ocupado de la pileta, el DQO total y soluble y el índice volumétrico de lodos (IVL). La temperatura ambiente estuvo entre 20 y 22 ºC. En ambos casos se midió al final la concentración de amonio con un equipo Kjeltec 1030 y nitratos y nitritos por HPLC (Standard Methods, 1995).
RESULTADOS Caracterización del efluente De acuerdo a estos resultados los valores medios de carga diaria serían en DBO5 del orden de 92 kg/día, en DQO de 138 kg/día, 0.6 kg de P/d y 5.4 kg N/d Ensayos de laboratorio En la Figura 2 se muestra una de las curvas realizadas de VCO vs tiempo para uno de los ensayos realizado con lodos de la Planta de Tratamiento y en la Figura 3 la curva correspondiente para la determinación de µmáx-bH. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental
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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental Figura 2.- Velocidad de consumo de oxígeno.
60
VCO (mg/l.hr)
50 40 30 20 10 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
T ie m p o (h o ra s)
Figura 3.- Determinación de µmáx-bH. 0.7 y = 0.1175x - 0.0438
Ln(VC O/VC Oi)
0.6
R 2 = 0.988
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 0
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Tiem po (h oras)
En la Tabla VI se presentan los parámetros cinéticos obtenidos a 20º C. Se agregan valores de bibliografía para un efluente similar.
Tabla VI - Parámetros cinéticos. Ensayo Con lodo de Planta Con lodo de Laboratorio Orhon et al (1993)
µmaximo (d-1) 3.0 2.4 3.1
YH (SSV/DQO) 0.5 0.42 0.44
Ks (mg DQO/L) 74 100
b (d-1) 0.15 0.12 0.22
Ensayos a escala real: Se realizaron ensayos de registro de la VCO en función del tiempo con dos formas de operación diferente del SBR. En un primer caso el tanque es alimentado durante 4 horas sin aireación y luego aireado durante las 4 horas restantes en que sigue entrando efluente. Se agregó una hora adicional de aireación luego de terminada la generación de efluentes en la Planta Industrial. En las primeras 4 horas de aireación el volumen del sistema es variable. La última hora de aireación se realiza con volumen constante. En la Figura 4 se muestra la curva de aireación para este caso.
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VCO (g O2/Lh )
Figura 4.- VCO con inicio de la aireación a la mitad del llenado. 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0
1
2 3 Tiempo (horas)
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En la Tabla VII se muestra el requerimiento total horario de oxígeno para los volúmenes correspondientes que tenía el tanque al medir las VCO registradas en Figura 4:
Tabla VII.- Requerimiento horario de O2 con inicio de la aireación a la mitad del llenado. Hora 0* 1 2.2 3.3 4.15 4.95 Volumen (m3) 77 86 96 106 113 120 Kg O2/h 2.16 3.35 4.1 2.9 3.3 3.1 *Inicio de la aireación.
En un segundo caso se inició la aireación una vez terminada la generación de efluentes en la Planta Industrial. El proceso se realiza durante 4 horas y media a volumen constante. En la Figura 5 se muesta la VCO registada en este caso. En la Tabla VIII se muestra el requerimiento total de oxígeno por hora correspondiente a los registros de la Figura 5. En este caso el volumen del tanque era constante e igual a 120 m3. Para las dos primeras medias horas se calculan los valores promedio del consumo de oxígeno horario ya que se produjeron oscilaciones en los valores de la VCO debido a que los lodos demoran un cierto tiempo en estar perfectamente suspendidos. Para los otros datos se realiza el promedio de los valores tomados con diferencias menores de 15 minutos.
Figura 5.- VCO con inicio de la aireación al finalizar el llenado. Volumen constante.
VCO (g O2/L h
0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0
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2 3 Tiempo (horas)
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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental Tabla VIII.- Requerimiento horario de O2 con el volumen constante de 120 m3. Hora 0.4 0.8 1.0 2.2 3.5 4.2 Kg O2/h 12.2 11.9 10.4 5.3 3.2 2.9
4.4 3.2
En ambos casos a las 4 horas de aireación las eficiencias en DQO fueron 97.8% en DQO y 99% en DBO55 y la remoción de nitrógeno total 99%, el nitrógeno residual queda como NO3 y su concentración fue menor a 0.5 mg/L. El IVL final con las dos formas de operación es menor de 150 ml/g.
CONCLUSIONES En ambas formas de operación el tiempo requerido está en el entorno de las 4 horas. El comienzo de la aireación a mitad del llenado permite un consumo de oxígeno más constante y requiere instalar una potencia de aireación menor. Por lo tanto esta sería la mejor forma de diseño y operación del SBR. En el caso particular considerado, en que se deseaba aprovechar al máximo los equipos existentes, se decidió emplear un solo aireador de 10 HP, dejando llenar el tanque y arrancando el aireador en la noche, cuando la tarifa eléctrica era más económica. El Reactor Discontinuo Secuencial presenta varias ventajas: 1) en el SBR las velocidades de proceso son mayores que en los lodos activados; 2) el sistema permite desnitrificar el efluente sin elementos adicionales con remoción de carbono sin gasto de potencia; 3) los tiempos de operación de bombas y aireadores son controlables por simples “timers”; 4) los parámetros obtenidos en el laboratorio permiten realizar buenas estimaciones de los tiempos de reacción, de la cantidad de lodos generados y de los niveles de oxígeno requerido en la planta real, permitiendo un ajuste del proceso con gastos mínimos; 5) el pasaje de los lodos por etapas aerobia/anóxica/anaerobia genera loodos con excelentes índices volumétricos; 6) son sistemas de gran aplicación en pequeñas agroindustrias donde la generación de efluentes no es continua y es de poco volumen, como bodegas vitivinícolas, tambos, u otros establecimientos similares.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. 2.
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