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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental
I-178 - SEGUIMIENTO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LA MANTA DE LODOS EN UN REACTOR UASB PILOTO Liliana Borzacconi(1) Ingeniera Química. Doctora en Ingeniería. Especializada en tratamiento biológico de efluentes líquidos y en el área de residuos sólidos urbanos. Ha realizado trabajos con FOTOGRAFIA reactores anaerobios de alta tasa, reactores aerobios y sistemas de remoción simultánea de NÃO carbono y nitrógeno. Ha sido responsable de varios proyectos enfocados a la determinación de las condiciones de degradación de residuos sólidos urbanos y su DISPONÍVEL correspondiente modelado. Javier Martínez Ingeniero Químico, Magister en Ingeniería Química. Se ha especializado en trabajos relacionados con el tratamiento y gestión de residuos, sólidos y líquidos. Ha trabajado especialmente con reactores biológicos y ha sido responsable de proyectos de desarrollo en el área de tratamiento de efluentes. Se ha desempeñado como asesor en aspectos ambientales y en especial en residuos sólidos industriales. Iván López Ingeniero Químico, Magister en Ingeniería Química, con trabajos en el área de tratamiento de efluentes líquidos mediante reactores biológicos y en el área de residuos sólidos urbanos. Ha trabajado especialmente en el tratamiento de lixiviado de relleno sanitario mediante reactores anaerobios y en el estudio de los fenómenos que inciden en la degradación anaerobia de los residuos sólidos en un relleno sanitario. Mauricio Passeggi Bachiller en Química, ha trabajado en el seguimiento del reactor. Dirección(1): J. Herrera y Reissig, 565 - Montevideo - CP: 11800 - Uruguay - Tel: (598 2) 711-4478 - e-mail: [email protected]
RESUMEN Se siguió la evolución de un reactor UASB de 2.9 m3 tratando efluente de maltería con una concentración promedio de 2600 mg/L de DQO total. Se alcanzaron cargas volumétricas de 4.6 kgDQO/(m3.d) con eficiencias de remoción de DQO del 85%, trabajando a 30ºC. Hacia la semana 16 comenzó la granulación y mejoraron sensiblemente las características de sedimentación de los lodos. Se presenta la evolución del perfil de lodo dentro del reactor. Con la granulación, el lodo se concentró en el fondo y permitió el crecimiento de la biomasa. La integración del perfil de lodo permite calcular la carga por unidad de biomasa. Se alcanzaron valores de 0.6 a 0.8 kgDQO/kgSSV.d con un funcionamiento estable. En el período de arranque existe una fuerte dependencia entre la eficiencia y la temperatura de remoción, pero una vez alcanzadas las características definitivas del lodo la eficiencia no decayó al trabajar a 25ºC y 18ºC. Se presenta asimismo la distribución de tamaños del lodo granular con un tamaño medio de 0.44 mm. PALABRAS-CLAVE: UASB, Maltería, Tratamiento Anaerobio, Lodo Anaerobio.
INTRODUCCIÓN Los reactores anaerobios del tipo de manta de lodos han sido ampliamente utilizados para el tratamiento de efluentes industriales y domésticos. (Lettinga y Hulshoff, 1992; Borzacconi y López, 1994; AustermannHaun et al., 1999). Uno de los factores que influye en el funcionamiento exitoso de estos sistemas es la condición de la biomasa presente dentro del reactor. El lodo biológico debe presentar buenas características de sedimentación para no ser arrastrado y conseguir un tiempo de estadía celular prolongado. Es necesario además conseguir buena actividad biológica y concentración elevada de micoorganismos lo que permite tener elevada carga volumétrica.
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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental Existen antecedentes exitosos de tratamiento de efluentes de maltería y cervecería mediante reactores UASB (Fang et al., 1990; Cronin y Lo, 1998; Yan et al., 1996). No obstante el presente estudio realizado tuvo por objeto caracterizar el proceso del tratamiento biológico del efluente de una maltería que posee dos tanques Imhoff que podrían ser modificados para ser operados como reactores de manta de lodos. Luego del tratamiento anaerobio se ha previsto un postratamiento aerobio. En este caso particular, el volumen y la geometría del sedimentador y del cuerpo del reactor están fijos, debiéndose realizar las modificaciones necesarias para alimentar desde la parte inferior del reactor y obtener la salida a partir de la zona de sedimentación. Por lo tanto será de sumo interés determinar las características de la manta de lodos en cuanto a sedimentabilidad, concentración y actividad metanogénica. Estos parámetros permitirán establecer las velocidades ascencionales en los distintos puntos del reactor así como optimizar la carga por unidad de sólidos. En el presente trabajo se operó un reactor piloto para determinar las características de la manta de lodos además de los parámetros de operación correspondientes. Se siguió a lo largo del tiempo el perfil de sólidos dentro del reactor, la velocidad de sedimentación, el tamaño de los agregados y la actividad metanogénica.
METODOLOGÍA Para el ensayo piloto se utilizó un reactor del tipo de manta de lodos de forma cilíndrica de 0.95 m de diámetro y 4.3 m de altura, con un volumen útil de 2.9 m3. El cuerpo central del reactor cuenta con un serpentín alimentado por una caldereta, que permite fijar la temperatura dentro del reactor. A lo largo del reactor existen 7 tomas de muestra que se nombran ho hasta h6, desde el fondo a la parte superior. Se cuenta con un gasómetro de tipo húmedo para la medida del caudal de biogás. El reactor se inoculó con lodo proveniente de una laguna de tratamiento anaerobio del efluente proveniente de la fabricación de levadura para panificación. El arranque se realizó con aumento sucesivo de carga manteniendo la concentración del efluente a tratar e incrementando el caudal. La concentración de DQO del líquido a tratar es del orden de 2600 mg/L y contiene la cantidad de nitrógeno y fósforo necesarios para el tratamiento anaerobio. Durante la operación del reactor se midió a la entrada y salida del mismo DQO, AGV, alcalinidad y pH. También se midieron el caudal de alimentación y el biogás producido a lo largo del tiempo. La composición del gas se determinó mediante cromatografía gaseosa. Para caracterizar la manta de lodos se realizaron tomas de sólidos a diferentes alturas del reactor a lo largo del tiempo. Se determinó el contenido de sólidos a las diferentes alturas y la granulometría de los agregados. Los agregados se inmovilizaron en agar y se utilizó el UTHSCSA Image Tool (Jeison y Chamy, 1998) para caracterizar la distribución de tamaños. Se realizaron además medidas de actividad metanogénica y de velocidad de sedimentación. El arranque con una temperatura de trabajo de 30ºC. No obstante por problemas operativos hubo períodos en que no pudo calefaccionarse el reactor y en los que la temperatura descendió. Sobre el final de las experiencias, y una vez aclimatado el lodo, se realizaron ensayos con temperaturas menores a los 30ºC, (hasta 18ºC) de forma de aproximarse a las condiciones de operación en los meses de menor temperatura.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Figura 1 se presenta la evolución de la DQO total a lo largo del tiempo. La carga de arranque fue de 0.7 kgDQO/m3 d y la máxima obtenida trabajando establemente fue de 4.6 kgDQO/m3 d, con una temperatura de 30ºC hasta la semana 31. El comportamiento de la DQO soluble es similar al de la DQO total alcanzándose remociones por encima del 85% de ambos parámetros en los períodos de funcionamiento normal del sistema calefactor. Estabilizadas las características del lodo se trabajó durante las semanas 32 a 36 a 25ºC y en las semanas 37 a 39 a 18ºC sin que se observara un descenso en la eficiencia del reactor. En la Figura 2 se muestra la dependencia de la eficiencia con la temperatura de operación durante el período de arranque y su independencia en el último período, una vez consolidadas las características definitivas del lodo. Con estos resultados puede preverse un arranque exitoso a escala real durante la temporada estival, en donde se logre la aclimatación del lodo, sin mayores pérdidas de eficiencia con la llegada de la estación fría. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental
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3500
12
3000
10
2500
8
2000 6 1500 4
1000 500
2
0
0 0
10
20
30
carga volum étrica (gDQO/L.d)
DQO total (mg/L)
Se confirma así una tendencia constatada en otros reactores anaerobios que tienden con el tiempo a no reflejar significativamente los cambios de temperatura ambiente.
entrada salida carga
40
tiem po (sem) Figura 1: Evolución de la DQO total y la carga volumétrica.
100
35
90 30
85 80 75
25
70 65
temperatura (ºC)
remoción de DQO soluble (%)
95
remoción de DQO soluble temperatura
20
60 55 50
15 0
5
10
15
20
25
30
35
40
tiempo (semanas)
Figura 2: Relación entre la eficiencia de remoción y la temperatura.
En la figura 3 se representa el perfil de sólidos, esto es, la concentración del mismo en las diferentes tomas a lo alto del reactor y a lo largo del tiempo. Hasta la semana 14 se observa un perfil relativamente expandido dentro del reactor, observándose la formación de gránulos en la semana 16. Conjuntamente con la formación de gránulos se constata un asentamiento del perfil estando la mayoría de los sólidos en la parte inferior del reactor. En la semana 11, previo a la granulación, y como se dijo, con el perfil de sólidos expandido, se observó un lavado de los mismos con el efluente. Este hecho no volvió a repetirse luego de la granulación y el asentamiento de los sólidos, lo que indica una mejora en las condiciones de sedimentación que como se verá permitió un aumento paulatino del contenido de sólidos del reactor (Figura 4).
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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental A partir del perfil de sólidos se calculó la masa total contenida en el reactor, cuya evolución se muestra en la Figura 4. Es de destacar el comportamiento relativamente constante de los SSF a la vez que se da el aumento de los SSV, lo cual evidencia de que se está registrando un crecimiento de la biomasa. Con los valores de la
40 35 30 25 20 SSV (g/L) 15 10 5
h6
toma
h3
h0
0
2
4
6
8
34 38 28 30 26 22 24 18 20 16 14 10 12 tiempo (semanas)
Figura 3: Evolución del perfil de SSV en el reactor.
masa total es posible calcular la carga por unidad de SSV, más representativa que la carga volumétrica. La evolución de ambas se representan en la Figura 5, donde resulta evidente el distinto comportamiento hacia el final del período como consecuencia del aumento neto de biomasa en el reactor. Luego de la semana 16 (granulación) se alcanzaron valores entre 0.6 y 0.8 kgDQO/(kgSSV.d). Tomando en cuenta la eficiencia de remoción de DQO estos valores concuerdan con los del ensayo de actividad metanogénica específica de los lodos realizado en el laboratorio. Así, en la semana 30, el valor de actividad metanogénica del lodo del reactor fue 0.46 kgDQO-CH4/(kgSSV.d). Se midió la velocidad de sedimentación de los lodos en las semanas 32, 34, 35 y 36. En la semana 32 dicha velocidad fue de 6.3 m/h. A partir de la semana 34 se midieron valores de 8.5 m/h y aún más altos. Este valor estaría indicando que en la zona de sedimentación no habría problemas de escape de lodos, ya que la velocidad de diseño recomendada es de 5m/h (Souza, 1986).
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45
Sólidos Sus pe ndidos
40 35 30 25
SSV
20
SSF
15 10 5 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
tie m po (s e m anas )
7
1,4
6
1,2
5
1
4
0,8
3
0,6
2
0,4
1
0,2
0
carga másica (gDQO/gSSV.d
carga volumétrica (gDQO/L.d
Figura 4: Evolución de la cantidad total de sólidos suspendidos en el reactor.
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
tiempo (sem) carga volumétrica
carga másica
Figura 5: Evolución de la carga volumétrica y la carga por unidad de biomasa.
El comportamiento de la manta de lodos -granulación, buenas características de sedimentación, altas concentraciones de sólidos en la parte inferior del reactor- permitirían un aumento de la carga volumétrica por encima de los valores recomendados en la literatura, en base a un crecimiento neto de la biomasa dentro del reactor. Puede observarse que en el último período, si bien se trabajó con la carga volumétrica máxima, la carga por unidad de biomasa es la mitad de la máxima alcanzada con un funcionamiento estable. Por lo tanto se estaba en condiciones de aumentar significativamente la primera, o lo que es igual en este caso, reducir el tiempo de estadía hidráulico. Lamentablemente la descontinuación en la actividad de la planta industrial no permitió continuar la experiencia. La carga por unidad de biomasa constituye un parámetro mucho más real para considerar en el diseño y el arranque del reactor que la carga por unidad de volumen, pues esta última no tiene en cuenta las posibilidades de crecimiento de la biomasa dentro del reactor al mejorar sus características.
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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental La técnica de inmobilización en agar de los gránulos (Figura 6) resultó ser efectiva para la determinación de la distribución de tamaños. Se midió la granulometría a lo alto del reactor una vez producida la granulación, resultando la distribución de tamaños que se muestra en la Figura 7.
1. 80 -
1. 60 1. 60
-
1. 40 1. 40
-
1. 20 1. 20
-
1. 00 1. 00
-
0. 80 0. 80
0. 60
-
-
0. 40 0. 40
0. 20
0. 00
0. 60
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0. 20
gránulos
Porce ntaje de núm e ro
Figura 6: Gránulos de la toma inferior del reactor inmovilizados en agar.
Diám e tro (m m )
Figura 7: Distribución porcentual del número de gránulos en función del tamaño en la toma inferior.
CONCLUSIONES Se observan buenas eficiencias de remoción de DQO, del orden de 85% cuando el reactor funcionó a 30ºC. Luego de estabilizada dicha eficiencia a 30ºC, la misma se mantuvo a temperaturas menores.
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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental A partir de la semana 16 se observó la aparición de los primeros gránulos; esto produjo cambios significativos en las condiciones de sedimentación de los lodos y conjuntamente se observó una mayor concentración de los mismos en las dos tomas inferiores llegándose a valores de concentración de 30 kgSSV/L como consecuencia de la granulación. Con posterioridad al comienzo de la granulación el contenido en SSV de la manta de lodo fue en ascenso, manteniéndose relativamente constante la cantidad de SSF. En estas condiciones las cargas alcanzadas estuvieron entre 0.6 y 0.8 kgDQO/(kgSSV.d). La actividad metanogénica fue en aumento llegando en la semana 30 a un valor 0.46 kgDQO-CH4/(kgSSV.d), coincidente con el valor calculado a partir de la producción de metano.
de
Las posibilidades de crecimiento de la manta con concentraciones elevadas de lodo y el aumento de la actividad metanogénica permitirían alcanzar cargas volumétricas mayores a las logradas en este ensayo. Las velocidades ascencionales de diseño habitualmente recomendadas no comprometerían el proceso, de acuerdo a las características de sedimentación de los lodos granulares (velocidad de sedimentación mayores de 8.5 m/h).
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