Aplicación de un tratamiento biológico a las aguas residuales provenientes de una destilería de alcohol de caña, utilizando un reactor UASB
G!= φ(CVa, Cma, V!, TRH, D! , A!, S!, S!, C!, C!, X, μ!"#, K! , K!, K!, pH, Θ) Ecuación 2.1
Donde:
Cva= Carga volumétrica aplicada (gDQO/L·d) Cma= Carga Másica Aplicada (g DQO/gSSV·d) Va= Velocidad ascensional (m/h)
TRH= Tiempo de Retención Hidráulico (h) DR= Diámetro interno del reactor o superficie(m)
AR=altura del reactor (m)
So= Concentración en DQO del influente (gDQO/L)
Se= Concentración en DQO del efluente (gDQO/L)
Cn=Concentración en nutrientes (g/L)
Ct=Concentración en metales traza (g/L)
X=Concentración en biomasa/inoculo (gSSV/L) µmax= Tasa de crecimiento de microorganismos (d-1)
KS= Constante de saturación (gDQO/L)
Kd= Coeficiente de muerte bacteriana (d-1)
Ki= Coeficiente de inhibición (gDQO/L)
Θ= temperatura media (°C)
Singh, R.P. y col. (1998) estudiaron en reactores UASB alimentados con diversas aguas residuales, la variación de Gt con respecto a los dos parámetros siguientes:
Ø La Carga Másica Aplicada (Cma) y Ø La concentración en biomasa (X)
Según estos Autores, la Carga Másica Aplicada (Cma) es una de las variables más importantes que afectan el tiempo de granulación en reactores UASB. La Cma puede definirse como la masa de DQO proporcionada diariamente al sistema por masa de biomasa activa en el reactor y puede ser expresada como sigue:
!"# = !!! !×!! =
!!
!×!"#= !"/!
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En la ecuación 2.2 la Cma toma en cuenta tanto la carga orgánica como la concentración en biomasa activa. Por consiguiente, la Cma puede considerarse como un mejor parámetro de diseño que la Cva. Bajo condiciones de Cma bajas, el crecimiento de la biomasa es seriamente afectado ya que hay limitación de sustrato y puede resultar en la formación de un lodo fuerte y compactado. De otro modo, una Cma alta puede resultar en una sobrecarga del reactor, es decir una hidrólisis incompleta, una fermentación acida, y finalmente una caída de la actividad metanogénica especifica (AME) y hasta perdidas completas de actividad en caso de una aplicación prolongada. Una Cma alta puede alterar la estructura del granulo y obtener una pérdida de biomasa por acción de lavado. Por otro lado al aumentar la recirculación de biomasa microbiana o del contenido del reactor, se aumenta artificialmente la cantidad de biomasa activa presente en el reactor, lo que genera un aumento de las cinéticas volumétricas de reacción, pero generando una reducción de la Cma, asumiendo las consecuencias descritas más arriba. Al aumentar el caudal de alimentación, se eleva la Cma, lo que propicia la acumulación de AGV’s en el sistema con el riesgo de inhibir el crecimiento y la actividad microbiana, y que un pH óptimo del orden 7. Por consiguiente la concentración en el sustrato debería ser mantenida en concentraciones muy altas, para asegurar una tasa de crecimiento de biomasa óptima y una calidad en la formación del granulo. Además, la tasa de crecimiento celular está directamente relacionada con la tasa de consumo del sustrato, y un alto crecimiento puede afectar la fase de adaptación del granulo en consecuencia, es esencial una regulación y monitoreo de la Cma durante el periodo de arranque.
Yue-Gen,Y. y Joo-Hwa, T. (1996), observaron el proceso de granulación en un reactor UASB utilizando glucosa, peptosa y extracto de carne como sustrato sintético. Durante el arranque se mantuvo la Cma en un 80% de la actividad metanogénica especifica durante 30 días y después fue aumentando rápidamente Bajo estas condiciones lograron la granulación en 1 mes y la maduración ocurrió durante los 4 meses siguientes. Finalmente se alcanzó una estabilización del reactor en 2 meses de operación.
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Singh, y col. (1998), en relación a la concentración y cantidad de inóculo, mencionan que la literatura revela que el tipo de inóculo y su concentración inicial son determinantes en la formación inicial del granulo. También la maduración está muy relacionada a las poblaciones microbianas inicialmente presentes en inóculo. La superficie del gránulo posee una población microbiana heterogénea. La composición del influente de alimentación y su concentración tiene un efecto primordial sobre las poblaciones microbianas desarrolladas al interior de los gránulos y específicamente sobre la tasa de crecimiento especifico, donde puede ocurrir una inhibición de crecimiento por exceso de sustrato.
En un reactor de biomasa suspendida como el UASB, las bacterias metanogénicas requieren de un largo tiempo de generación (0,5 -2,0 días). Por tanto, se requiere generalmente un largo periodo (4-8 meses) para lograr una estabilidad microbiana en sistemas UASB. Dado que la biomasa en suspensión es fácilmente lavada durante la operación en continuo, la pérdida del inóculo es un fenómeno común durante la fase inicial de arranque. La actividad metabólica del lodo aumenta si la cantidad de lodo activado retenido es lo suficientemente adecuado para la operación del proceso y es generalmente expresado en términos de Actividad Metanogénica Especifica (AME). La AME corresponde a la tasa máxima de DQO convertida a metano por unidad de biomasa y por día. Para garantizar una operación estable de un reactor UASB, la Cma no debe superar el 75 % de la AME.
2.3.3 Formación de gránulos
Varios tipos de conglomerados de microbios han sido definidos como, gránulos, pellets, flóculos y lodo floculento. Los pellets y los gránulos son conglomerados con una estructura densa, después de la sedimentación, estos conglomerados presentan una apariencia definida y buena. Los flóculos y lodo floculento son conglomerados con estructura desprendida, después de la sedimentación, ellos forman una capa macroscópica homogénea. El diámetro de los gránulos bacterianos varía de 0,14 a 5 mm dependiendo entre otros del agua residual considerada y de las condiciones de operación. Los gránulos generados en sustratos acidificados, tales como acetato, son generalmente más pequeños que los gránulos desarrollados en sustratos acidogénicos, por ejemplo glucosa.
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Dependiendo de las condiciones en el reactor, los gránulos pueden presentar diversas formas, siendo la esférica la más encontrada comúnmente. El contenido mineral inorgánico o cenizas de un granulo varia del 10 al 90% del peso seco dependiendo principalmente de la composición del agua residual, y de las condiciones de operación, etc. Bajo condiciones mesofílicas y aguas residuales complejas, los gránulos generados presentan un contenido en cenizas, inferior al de los gránulos que crecen en sustratos simples como; acetato, propianato, o butirato, además los sustratos complejos generan gránulos más grandes.
Los polímeros extracelulares (PE) usualmente pueden ser encontrados en cantidades abundantes en sistemas naturales. La comprensión de las características físicas y bioquímicas de la matriz del polímero extracelular es importante para el entendimiento de la estructura y función de los gránulos o de las biopeliculas. El PE bacteriano se define como una estructura polisacárida de origen bacteriano al exterior de membrana de las células Gram-negativas y del peptidoglicano de las células de Gram-positivas. El PE esta hecho de desechos orgánicos, fagos (virus que infectan exclusivamente a bacterias), células lisadas, y otros materiales orgánicos excretados por las células microbianas.
Zhou, W. y col. (2007), evaluaron el efecto de Cva sobre el proceso de granulación usando tres reactores UASB utilizando lodo proveniente de una planta de tratamiento de aguas residuales municipales y una solución sintética de glucosa como sustrato. Para resolver la contradicción entre acumulación de PE y eficiencia en el tratamiento, primero se llevó a cabo un aumento en la Cva por la modificación de la concentración y después por aumento de flujo. Para las Cva altas el proceso de granulación aumentó efectivamente de manera conjunta a la producción de PE biológicamente aplicando una ligera sobre carga, la concentración en PE del lodo se incrementó en un tiempo relativamente corto, favoreciendo la formación de gránulos. El contenido de polímero extracelular aumentó en respuesta al incremento de la Cva en los reactores UASB. La composición microbiana de los gránulos presenta las metanogénicas típicas siguientes; Methanobrevibacter spp., methanospirillum, spp., Methanosaeta spp., (formadoras de Methanothrix spp.), y Methanosarcina spp., bacterias sintrópicas como Syntrophobacter spp., Syntrophomonas spp., y Pelobacter spp., así como bacterias sulfato-reductoras como Desulfovibrio sp. y Desulfobulbus sp.
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2.3.4 Parámetros de diseño, operación y control de un reactor UASB
Un control adecuado puede prevenir la transformación de un problema operacional menor a un gran daño para el sistema. Los procesos de control preventivos pueden impedir una pequeña perturbación a la biomasa dentro del sistema (Speece, 1996).
2.3.4.1 Carga Volumétrica Aplicada (Cva)
La principal tarea del diseño del reactor UASB es calcular los volúmenes y el tamaño del sistema, esto suele hacerse mediante la selección de una Carga Volumétrica Aplicada (Cva) que proporciona una calidad de efluente satisfactorio y un factor de seguridad de funcionamiento adecuado. La Cva es un criterio que permite garantizar la eficiencia de utilización del volumen útil del reactor.
La carga volumétrica aplicada corresponde a la masa de materia orgánica introducida en el reactor por unidad de volumen y se calcula como sigue (Malina y Pohland, 1992):
Cva =DQO!∙ Q V!
Ecuación 2.3
Donde:
Cva = Carga Volumétrica Aplicada (kgDQO/m3·d)
DQOE= Concentración en DQO del agua residual a la entrada (kgDQO/m3) Q= Flujo de alimentación (m3/d)
VR= Volumen útil de reactor (m3).
La tabla 2.3, resume algunas Cva recomendadas en función de la concentración del agua residual, la DQO particulada en el agua residual, y concentraciones de sólidos suspendidos totales (SST) en el efluente.
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Tabla 2.3 Carga volumétrica aplicada recomendada para reactores UASB a 30°C para lograr de 85 a 95 de porcentaje de remoción de DQO
Carga Volumétrica aplicada (Cva) (kgDQO/m3·d)
DQO