Optimización del Funcionamiento de un SBR para la Remoción de Materia Orgánica y Nutrientes

RESUMEN

La utilización de reactores en secuencia batch (SBR) está teniendo gran aceptación para la remoción de materia orgánica y nutrientes en efluentes contaminados. En esta experiencia se ensayó la remoción de materia orgánica y nitrógeno de efluente de cervecería. Se utilizó un SBR de 15L de volumen útil y se siguió pH, OD y ORP en línea, utilizándose el programa LabView para adquirir datos y controlar el proceso. La eficiencia global (etapa aerobia y anóxica) de remoción de materia orgánica para una alimentación entre 300 y 500 mg/L de DQO fue del 70%. La remoción de nitrógeno luego de superado el inconveniente del lento crecimiento de las bacterias nitrificantes fue del 50% para el N-NH4+ y mayor al 90% para el N-NOx. El tiempo de sedimentación pudo reducirse a valores inferiores a los encontrados en la literatura, habiéndose seleccionado biomasa con muy buenas características de sedimentación. La curva pH-ORP es una herramienta útil ya que refleja los fenómenos que se suceden en las diferentes etapas. Este sistema puede ser utilizado con otros efluentes y de esta forma determinar los parámetros de operación y control en forma sencilla. En escala real este sistema también es sencillo de controlar y operar además de la versatilidad que presenta.

Palabras Clave: desnitrificación, nitrificación, SBR

INTRODUCCIÓN

Los métodos biológicos aplicados a la depuración de efluentes contaminados han tenido una vasta aplicación para la remoción de materia orgánica. Asimismo, la remoción de nutrientes de las aguas residuales es un tema sobre el cual se ha venido tomando conciencia de su importancia en los últimos. La descarga de nitrógeno y fósforo en cursos de agua provoca serios problemas de eutroficación.

Conjuntamente con esto el nitrógeno vertido como nitrógeno amoniacal en medios aerobios se transforma en nitrato, pudiendo llegar a contaminar fuentes subterráneas o superficiales de agua potable lo que es altamente perjudicial para la salud humana.

Un sistema utilizado para la remoción de carbono y nitrógeno es el de Reactores en Secuencia Batch (SBR) (Silberstein y Schroeder, 1983; Jones et al., 1990; Bortone et al., 1992; Tam et al., 1994;

Humphreys y Banks, 1995; Isaacs y Henze, 1995; Ndon, y Dague, 1997; Rosén et al., 1998; Laughlin et al., 1999). El proceso en un reactor en secuencia batch se caracteriza por una serie de etapas consecutivas en el tiempo, por ejemplo: llenado -> reacción -> sedimentación -> descarga. Este tipo de reactores de operación discontinua han probado ser una alternativa eficiente a los sistemas continuos convencionales para el tratamiento biológico de efluentes domésticos e industriales (Ketchum, 1997).

Existen referencias en las que se obtienen buenas eficiencias de remoción para materia orgánica y nutrientes para el tratamiento de diversos efluentes (ver Tabla 1).

Este tipo de reactores en discontinuo tienen gran flexibilidad para adaptarse a los cambios en composición y caudal del efluente. Los microorganismos deben adaptarse a ambientes diversos según la etapa del ciclo en que se encuentren, y si bien por esa razón es previsible el trabajo en condiciones subóptimas, también ocurre una selección de cepas especialmente versátiles y capaces de absorber los cambios en el efluente (Irvine et al., 1997; Ketchum, 1997).

Entre las principales ventajas se encuentran: altos rendimientos de eliminación de materia orgánica biodegradable y nutrientes, flexibilidad de operación (adaptabilidad a variaciones de caudal y de carga), menores costos de inversión y operación que los sistemas aireados tradicionales (Fernández-Polanco et al., 1993; Torrijos y Moletta, 1997; Schleypen et al., 1997). Este tipo de reactores parece tener especial perspectiva en industrias de escaso porte, que normalmente trabajan con sistemas en discontinuo, y también en industrias de mayor escala pero cuya modalidad de producción es discontinua (Brenner, 1997). El planteo tradicional para resolver los problemas planteados por la producción discontinua consiste en la introducción de grandes tanques de ecualización. Con los SBR el propio reactor actúa en tal sentido abaratando costos constructivos.

En los reactores SBR es necesario determinar los tiempos de funcionamiento de las distintas etapas involucradas en el proceso, o sea es necesario un ajuste de los tiempos de operación en función del tipo de agua residual a tratar. Las necesidades del tratamiento pueden determinar no solo los tiempos de cada etapa sino también las estrategias de operación.

La aparente complejidad operativa que podrían presentar estos sistemas se resuelve a través de dos vías fundamentales: la adecuación de la misma al esquema de producción de la planta industrial y mediante la automatización del funcionamiento (Brenner, 1997). La identificación de parámetros de control que puedan monitorearse on-line (Yu et al., 1997) y que además se relacionen con el funcionamiento del reactor está hoy dentro de las posibilidades de instrumentación de una planta de tratamiento relativamente sencilla. Los costos operativos, de energía, de reactivos químicos y mano de obra pueden ser minimizados a través del uso de modelos del proceso y sistemas de control automático (Brenner, 1997).

Los SBR presentan gran potencialidad de aplicación en las plantas regionales, tanto a nivel de costos como de eficiencias de remoción. Sin embargo, para su implementación efectiva es necesario el conocimiento de los fenómenos que ocurren en las distintas etapas del proceso y la formulación de modelos sencillos que sean herramientas para el diseño, la operación y el control.

MATERIALES Y MÉTODOS

El esquema del equipo empleado se puede ver en la siguiente figura:

Se utilizó un reactor cilíndrico de acrílico de 19 cm de diámetro y 70 cm de altura, al que se le instalaron medidores de pH, OD, y ORP en línea, un agitador y difusores para la entrada de aire. El programa LabVIEW 5.1.se empleó para adquirir datos y controlar el proceso.

Influente
Se trabajó con efluente de cervecería, el cual fue modificado de manera de obtener condiciones de entrada constantes (ver Tabla 2)

Inóculo
El reactor se inoculó con 470mL de lodo de muy buenas características de sedimentación de un reactor de biodiscos aerobio de laboratorio para eliminar materia orgánica (ver Tabla 3).
Entre las semanas 4 y 5 luego del arranque se agregó lodo nitrificante de un RBC alimentado con efluente sintético a base de NH4 + y nutrientes para favorecer el desarrollo de la flora nitrificante en el reactor, por encontrarse ésta inhibida por las aerobias heterótrofas (ver Tabla 3).

Seguimiento del reactor

Además del control en línea de pH, ORP y OD, los parámetros analizados durante la operación del reactor fueron DQO, SST, SSV, Nitrógeno Amoniacal, Nitrato, Nitrito. Las determinaciones se realizaron según las técnicas del Standard Methods excepto el Nitrato y el Nitrito que se determinaron por Cromatografía Líquida de Alta Presión (HPLC) con columna para detección de aniones y detector UV.

Durante el funcionamiento estable se muestrearon dos corridas por semana, con extracción de una muestra por hora durante toda la operación del reactor.

Operación del reactor
El reactor se opera con la siguiente secuencia de etapas:
-Llenado (se activa la bomba peristáltica que se detiene por controladores de nivel): al comienzo de la primer corrida se cargaron 15 L de influente en el reactor. Al final de cada corrida se descargan 10 L y al comienzo de la siguiente se alimentan 10 L que se mezclan con los 5 L que quedaron de la corrida anterior.
Desde la corrida 67 se realizó un agregado adicional de alimentación al comienzo de la etapa anóxica para lograr en el reactor una DQO de 100 ppm de forma de lograr la desnitrificación.
-Etapa aerobia (se activa el agitador y el compresor): De acuerdo a la bibliografía la duración de la etapa aerobia se fijó, inicialmente, en 4 horas. En la corrida 42 se aumentó a 8 horas para favorecer el desarrollo de la flora nitrificante, bajándose luego a 5 horas desde la corrida 71.
-Etapa anóxica (se desactiva el compresor): esta etapa se mantuvo durante toda la operación en 2,5 horas.
-Sedimentación (se desactiva el agitador): En el arranque se fijó en 30 min. de acuerdo a datos de bibliografía. Dado que la biomasa se desarrolló con muy buenas características de sedimentación en la corrida 43 se bajó a 15 min. y en la corrida 61 a 7min.
-Descarga: (se activa la válvula solenoide que se detiene por controladores de nivel):
La duración de esta etapa es inferior a 3 minutos.
-Tiempos de espera: Se ajustaron de forma de realizar 2 corridas cada 24 horas.

RESULTADOS

Remoción de materia orgánica
La eficiencia global (etapas aerobia y anóxica) de remoción de materia orgánica para una entrada entre 300 y 500 mg/L de DQO es, en promedio, del 70%. Eficiencias de este orden ya se alcanzaron al comienzo del funcionamiento del reactor (Corrida 6, 3er día desde el arranque, eficiencia 75%).

Remoción de N-NH₄ ⁺
En la etapa de arranque no se observó nitrificación por lo que en la corrida 42 (3-4 semanas del arranque) se varió el tiempo de la etapa aerobia de 5 a 8 horas; una semana después (corrida 54) se agregó biomasa nitrificante de un reactor de biodiscos, como ya fue mencionado.
A partir de la corrida 56 se observó nitrificación alcanzando, luego de la corrida 70, una eficiencia del 50%.

Remoción de N-NOx
Luego de comenzada la producción de N-NOx en la etapa aerobia no se produjo la desnitrificación en la etapa anóxica debido a que la materia orgánica era insuficiente. Por ello, en la corrida 67 se decide agregar efluente bruto al comienzo de la etapa anóxica de forma de que la DQO en el reactor sea de aproximadamente 100 mg/L. En esa misma corrida ya se observaron eficiencias de remoción de N-NOx mayores al 90%.

Sedimentación
Disminuyendo el tiempo de sedimentación se logró seleccionar biomasa con muy buenas características de sedimentación sin una pérdida significativa de eficiencia en el reactor.

TABLA 4: Eficiencias de remoción antes y después de disminuir el tiempo de sedimentación

Curva pH-ORP
El potencial redox (ORP) aumenta en la etapa aerobia tanto por la aparición de O₂ al comienzo como por la posterior oxidación del N-NH₄ ⁺. El pH disminuye durante la nitrificación debido al aumento en la concentración de H⁺ durante esa etapa.
Etapa Anóxica: El ORP disminuye por la reducción del N-NO_x hasta el punto 2 en que termina la desnitrificación. El pH aumenta por la formación de OH- durante esta etapa hasta el punto 1 cuando termina la desnitrificación (ver fig. 2)

CONCLUSIONES

Se obtienen buenas eficiencias de remoción de DQO (70%) desde el arranque del reactor.
El comienzo de la nitrificación se produce luego de aumentar la duración de la etapa aerobia y del agregado de biomasa nitrificante en la corrida 56 (4-5 semanas del arranque) alcanzando eficiencias del 50% luego de la corrida 70.
La desnitrificación es completa luego de que se comienza a alimentar al reactor en 2 etapas de forma de obtener una DQO de aproximadamente 10 mg/L al comienzo de la etapa anóxica.
Respecto al monitoreo de pH y ORP durante la operación del reactor se concluye que reflejan los procesos que se están llevando a cabo en las distintas etapas y que los puntos 1 y 2 se puede usar como puntos de control que indiquen el fin de la desnitrificación.
De acuerdo a los resultados obtenidos se puede afirmar que se trata de un sistema muy flexible en su operación y con gran capacidad de adaptación a los cambios impuestos.

BIBLIOGRAFÍA

– Bortone, G., Gemelli, S., Rambaldi, A., Tilche, A.; (1992) “Nitrification, Denitrification And Biological Phosphate Removal In Sequencing Batch Reactors Treating Piggery Wastewater”; Wat. Sci. Tech. V.26, Nº5-6, pp 977-985.

– Brenner, A.; (1997) “ Use of computers for process and design analysis and control: sequencing batch reactor application”, Wat. Sci. Tech., V.35, Nº1, pp.11-18.

– Cho, B., Chang, C., Liaw, S., Huang, P.; (2000) “The Feasible Sequencing Control Strategy Of Treating High Strength Organic Nitrogen Removal With Sequencing Batch Biofilm Reactor”; Proceedings of the 2nd International symposium of Sequencing Batch Reactor Technology, V.1, pp.163-171, France.

– Fernández-Polanco, F., García, P.A., Rodríguez, P., Bueno, J.M., Real, J.F., Acítores, M. (1993). “Sistemas combinados aerobios anaerobios: aplicación a aguas urbanas”, en Depuración Anaerobia de Aguas Residuales, Valladolid, 26-28 de mayo.

– Humphreys, P.N., Banks, C.J. (1995). “The use of Sequencing Batch Activated Sludge Reactors to determine Nitrogen balances and optimum periods of pre-aeration denitrification”, Env.Tech., 16, 549- 558.

– Irvine, R., Wilderer, P., Flemming, H. (1997). Controlled unsteady state processes and technologies – an overview. Wat. Sci.Tech., Vol. 35, Nº 1, pp 1-10.

– Isaacs, S.H., Henze, M. (1995), “Controlled Carbon source addition to an alternating nitrificationdenitrification wastewater treatment process including biological P removal”, Wat. Res., 29 (1), 77-89.

– Jones, W.L., Schroeder, E.D., Wilderer, P.A. (1990), “Denitrification in a batch wastewater treatment system using sequestered organic substances”, Res. Jour. WPCF, 62 (3), 259-267.

– Ketchum, J.; (1997) “Design and Physical Features of Sequencing Batch Reactors”; Wat. Sci. Tech., V.35, Nº1, pp.11-18.

– Laughlin, D., Edwards, F., Egemen, E., Nirmalakhandan, N. (1999). SBR treatment of high COD effluent from bottling plant. Journal of Environmental Engineering Vol 125, No 3, pp285-289.

– Ndon, U., Dague, R. (1997). Effects of temperature and hydraulic retention time on anaerobic sequencing batch reactor treatment of low-strength wastewater. Wat. Res. Vol 31, No 10, pp2455-2466.

– Pierson, J., Spyros, G., “Real Time Monitoring and Control of Sequencing Batch Reactors for Secondary Treatment of a Poultry Processing Wastewater”; Wat. Environ. Res. 72, 585, 2000.

– Rodríguez, A., Brito, A.; (2001) “Post-treatment of a Brewery Wastewater Using a SBR”, Wat. Env. Research, V.73, Nº45, p. 45.

– Rosén, B., Ullman, A., Ragnarsson, N. (1998). Upgrading of nitrogen removal, using a combination of SBR (sequencing batch reactor) technique and unloading of existing biological stage. Wat. Sci.Tech., Vol. 37, Nº 9, pp 17-26.

– Schleypen, P., Michel, I., Siewert, H. Sequencing batch reactors with continuous inflow for small communities in rural areas in Bavaria. Wat. Sci.Tech., Vol. 35, Nº 1, pp 269-276.

– Silberstein, J., Schroeder, E.D. (1983). Performance of SBR activated sludge process with nitrification/denitrification, J.WPCF, 55 (4), 377-384.

– Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19th edition, 1995

– Tam, N.F.Y., Leung, G.L.W., Wong, Y.S. (1994), “The effects of external carbon loading on nitrogen removal in sequencing batch reactors”, Wat. Sci. Tech., 30 (6), 73-81.

– Torrijos, M., Moletta, R.; (1997) “Winery Wastewater Depollution by Sequencing Batch Reactor”; Wat. Sci. Tech. V.35, Nº1, pp 249-250, 1997

– Umble, A., Ketchum, JR.; (1997) “A Strategy for Coupling Municipal Wastewater Treatment Using the Sequencing Bactch Reactor with Effluent Nutrient Recovery Through Aquaculture”; Wat. Sci. Tech. V.35, Nº1, pp 177-184.

– Yu, R., Liaw, S., Chang, C., Lu, H., Cheng, W. (1997) Monitoring and control using on-line ORP on the continuous-flow activated sludge batch reactor system. Wat. Sci.Tech., Vol. 35, Nº 1, pp 57-66.

– Zaloum, R., Abbott, M., (1997) “Anaerobic Pretreatment Improves Single Sequencing Batch Reactor Treatment of Landfill Leachates”; Wat. Sci. Tech. V.35, Nº1, pp 207-214..

Elena Castelló (*)
Docente del Dpto. de Ingeniería de Reactores del Instituto de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería, de la Universidad de la República. Está inscripta en la Maestría en Ing. Química en la temática de “Modelado del comportamiento de un reactor SBR, optimización de las diferentes etapas”. Ha participado en varios Proyectos deInvestigación y Convenios en el área de Tratamiento de Efluentes Líquidos Industriales.
Daniel Ghislieri
Es docente de Tecnología y Servicios Industriales en el Instituto de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República.
Andrés Ono
Es docente del Dpto. de Ingeniería de Reactores del Instituto de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República.
Liliana Borzacconi
Profesora Agregada y Directora de Instituto de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República.
(*)J. Herrera y Reissig 565 – P. 3, Montevideo – C.P. 11300, Uruguay
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