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Eliminación de nutrientes del efluente de un s an mbr mediante fangos activados y microalgas

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Eliminación de nutrientes del efluente de un s an mbr mediante fangos activados y microalgas

  1. 1. ELIMINACIÓN DE NUTRIENTES DEL EFLUENTE DE UN REACTOR ANAEROBIO DE MEMBRANAS SUMERGIDAS (SAnMBR) MEDIANTE FANGOS ACTIVADOS Y CULTIVO DE MICROALGAS. 1 2 2 1 1 J.E. Sánchez-Ramírez , A. Ruiz-Martinez , F. García-Usach , A. Bouzas , A. Seco y J. 2 Ferrer 1 Dpto. de Ingeniería Química, Universitat de València. Avinguda de la Universitat s/n. 46100 Burjassot, Valencia 2 Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente, IIAMA. Universitat Politècnica de València. Camí de Vera, s/n. 46022, Valencia. alberto.bouzas@uv.esResumenEn este trabajo se presentan dos opciones para el post-tratamiento de un agua residual urbanatratada previamente en un reactor anaerobio de membranas sumergidas (SAnMBR). Lascaracterísticas medias del efluente del SAnMBR son baja DQO biodegradable (ca. 30 mg -1 + -1 -3 -1DQO·L ), elevadas concentraciones de nutrientes (55 mg N-NH4 ·L , 7 mg P-PO4 ·L , 105 mg -2 -1 -1S ·L ) y una concentración de metano disuelto en torno a 43 mg DQO·L . El primer tratamientoestudiado está constituido por un sistema de fangos activados bajo configuración UCT. Losresultados muestran una inhibición en el proceso de nitrificación debida a la presencia desulfuro que puede controlarse optimizando el TRH de la zona aerobia. Cuando la nitrificaciónestá bien establecida, se alcanzan porcentajes de eliminación de N y P del 56 y 45%,respectivamente. A la eliminación de N contribuye la oxidación de los sulfuros presentes en elagua. Asimismo, se ha observado la presencia de bacterias metanotróficas aerobias quepodrían contribuir al proceso de desnitrificación. Por otro lado, se ha demostrado la posibilidadde emplear el efluente de un SAnMBR para mantener un cultivo mixto de microalgas. El sistemade tratamiento propuesto proporciona una eliminación del 94.6% de N y del 98.3% de P + -1 -1 -3 -1 -1(14.62 mg N-NH4 ·L ·d y 2.14 mg P-PO4 ·L ·d ). El CO2 requerido por las microalgas para sucrecimiento es suministrado mediante un sistema controlado por el pH del medio. Palabras Clave Eliminación de nutrientes, membranas anaerobias, metano, microalgas, sulfuroIntroducciónEl tratamiento de agua residual urbana mediante reactores anaerobios de membranassumergidas (SAnMBR) presenta una serie de ventajas frente a otros tratamientos. Entre estasventajas destaca la producción de biogás, que permite el aprovechamiento energético del aguaresidual, y la menor generación de fangos. Sin embargo, el efluente de un SAnMBR contieneconcentraciones de nitrógeno y fósforo similares a las del agua residual afluente;concentraciones moderadas de materia orgánica biodegradable; y concentraciones importantesde sulfuro y metano disuelto (Giménez y col., 2011). Se hace por tanto necesario un tratamientoposterior si se pretenden eliminar estos nutrientes para hacer posible la reutilización del aguatratada o su vertido al medio natural.Las características del efluente de un SAnMBR lo hacen susceptible de ser tratado mediante unsistema de fangos activados con eliminación biológica de nutrientes. De acuerdo con labibliografía, es posible usar metano como fuente de carbono para la desnitrificación encondiciones anóxicas. Este proceso es llevado a cabo por un consorcio de bacteriasmetanotróficas y heterótrofas bajo diferentes condiciones ambientales (Islas-Lima y col., 2004).Por otra parte, el sulfuro contenido en este tipo de efluentes también puede contribuir en losprocesos de desnitrificación. Sin embargo algunos estudios (Sears K y col., 2004) mencionan laposible inhibición de las bacterias nitrificantes en presencia de sulfuros.
  2. 2. Bajo el término microalga se incluyen aquellos microorganismos unicelulares capaces de llevara cabo la fotosíntesis. Debido a su capacidad para eliminar nutrientes inorgánicos se plantea eneste trabajo la posibilidad de emplear un cultivo mixto de microalgas como post-tratamiento delefluente anaerobio. La combinación de un SAnMBR con una etapa de depuración mediantemicroalgas presenta, además, las siguientes ventajas: • La posibilidad de generar biomasa de microalgas a partir del efluente disponible sin consumir materia orgánica. • La alta alcalinidad del efluente del SAnMBR lo convierte en un medio de cultivo especialmente adecuado para los microorganismos fotosintéticos que emplean carbono inorgánico. • La biomasa generada puede ser recirculada al SAnMBR para contribuir a la generación de biogás y a la recuperación energética del proceso. El fango digerido resultante contendría nitrógeno y fósforo que permitiría su aplicación agrícola.Este trabajo plantea dos posibilidades de post-tratamiento para la eliminación de nutrientes delefluente de un SAnMBR que trata agua residual urbana: fangos activados y cultivo demicroalgas. Ambas opciones han sido estudiadas sobre el efluente de una planta pilotoSAnMBR situada en la EDAR de la Cuenca del Carraixet (Valencia).Materiales y MétodosEl estudio de fangos activados se ha desarrollado en una planta piloto (Figura 1) compuesta deun reactor de 800 L y un decantador secundario de 80 L. La planta se ha operado bajoconfiguración UCT modificado (anaerobio de 84 L, anóxico 332 L, aerobio 384 L). Los reactoresanaerobios y anóxicos se encuentran cubiertos con el fin de minimizar la reaireación y lapérdida de gases disueltos. La planta piloto está dotada de sondas on-line y elementosautomatizados para el registros de pH, RedOx, oxígeno disuelto (OD), sólidos suspendidos,amonio y nitrato. La adquisición y el registro de datos, así como el control de la planta piloto, serealiza mediante un SCADA. Durante el estudio, el tiempo de retención celular (TRC) semantuvo en 20 d y se ensayaron dos tiempos de retención hidráulico (TRH), 13 y 26 h. El OD se -1controló en 1 mg·L y la temperatura promedio del sistema fue de 21 ºC.El estudio con microalgas se ha realizado en dos fotobiorreactores cilíndricos a escala delaboratorio (8 L, diámetro 20 cm) que trabajan en semicontinuo a temperatura ambiente. Labiomasa se purga directamente del fotobiorreactor, de tal modo que el TRC y el TRH sonidénticos. En un reactor se reemplaza 1 L de cultivo por 1 L de efluente del SAnMBR cada 6horas (TRC 2 d) y en otro cada 12 horas (TRC 4 d). Los fotobiorreactores son iluminados -2 -1mediante tubos fluorescentes (170 microS·m ·s ). El cultivo se agita mediante inyección de aireen el fondo del reactor. El pH se mantiene en 7.2 inyectando CO2 puro en el circuito deagitación. El gas en el espacio de cabeza se aspira y recircula de nuevo al cultivo para evitarpérdidas de CO2. Los microorganismos empleados fueron aislados de las paredes deldecantador secundario de la EDAR de la Cuenca del Carraixet. La principal ventaja de uncultivo mixto es su robustez y adaptabilidad a los cambios del afluente y factores externos. Elcultivo sembrado consistió principalmente en cianobacterias (96.7%) y microorganismos de laclase de las clorofíceas (3.3%).Los parámetros analizados para el seguimiento analítico de los procesos fueron: sólidossuspendidos totales y volátiles, ácidos grasos volátiles, alcalinidad, nitrógeno amoniacal, nitrato,nitrito, fosfato, sulfuro, sulfato, tiosulfato, DQO y DBO. Las técnicas analíticas utilizadas seaplicaron de conformidad a los procedimientos descritos en el Standard Methods (APHA, 2005),excepto la determinación del los ácidos grasos volátiles y la alcalinidad que se determinaronsegún el método propuesto por la WRC (1992). Así mismo, la técnica FISH se empleó para lacuantificación de los microorganismos presentes en el sistema de fangos activados.
  3. 3. A B Figura 1. Esquemas del fotobiorreactor (A) y de la planta piloto de fangos activados (B).Resultados y DiscusiónEl efluente del SAnMBR tratado en ambos sistemas de post-tratamiento presentaba una baja -1DQO biodegradable (ca. 30 mg DQO·L ), elevadas concentraciones medias de nutrientes + -1 -3 -1 -2 -1(55 mg N-NH4 ·L , 7 mg P-PO4 ·L , 105 mg S ·L ) y una concentración media de metano -1disuelto en torno a 43 mg DQO·L . En la Figura 2 se observa que para un TRH hidráulico de13 h el proceso de nitrificación en el sistema de fangos activados era deficiente (<37%),posiblemente por la inhibición de la biomasa nitrificante en presencia de sulfuro. Este hecho sepudo comprobar con ensayos off-line en laboratorio, donde se observó que la biomasarecuperaba su capacidad nitrificante cuando no estaba sometida a la presencia continua desulfuros. Durante este primer periodo, los porcentajes de eliminación de N y P fueron del 25 % ydel 64%, respectivamente. Con el fin de mejorar el proceso de nitrificación se aumentó el TRHhasta 26 h, observando una mejora en la nitrificación hasta alcanzar una nitrificación completa(Figura 2), obteniéndose en este caso porcentajes de eliminación de N y P del 56 % y del 45%,respectivamente. Durante este segundo periodo, la materia orgánica biodegradable afluente alsistema sólo cubre alrededor de un 30% de la DQO necesaria para la desnitrificaciónobservada. Por tanto, otras vías como la oxidación de sulfuros y la desnitrificación metanotróficadeben ser consideradas al evaluar este proceso. Ensayos off-line realizados en el laboratoriocon biomasa de la planta piloto corroboraron la desnitrificación con sulfuros. Por lo que respectaal metano disuelto, se realizó un estudio microbiológico con el fin de cuantificar los organismosmetanotróficos presentes en el sistema. Se observaron porcentajes de bacterias metanotróficas(tipo I y II) entre el 4 y 13 % durante el periodo estudiado. 100 50 20 50 90 45 18 45 80 40 16 40 TRH: 13 h TRH: 26 h TRH: 13 h TRH: 26 h Nitrogeno (mg N.l -1) Fosfato (mg P.l-1) 70 35 14 35 TRC (días) 60 30 12 30 TRC (días) 50 25 10 25 40 20 8 20 30 15 6 15 20 10 4 10 10 5 2 5 0 0 0 0 100 110 120 130 140 150 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 110 120 130 140 150 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tiempo (días) Tiempo (días) NH4-N Entrada NH4-N Salida TRC PO4-P Entrada PO4-P Salida TRC Figura 2. Evolución de los nutrientes en el sistema de fangos activados.
  4. 4. Respecto al estudio con microalgas, la Figura 3 muestra las variaciones en las concentracionesde amonio y fosfato en la entrada y salida de los fotobiorreactores. Los valores medios deconcentración de biomasa, nutrientes en el efluente del fotobiorreactor y eliminaciones por litrode reactor se muestran en la Tabla 1. Para un TRC de 4 d se consiguen mayores porcentajesde eliminación de amonio y fosfato (94.6% y 98.3%, respectivamente). Sin embargo, laeliminación diaria por volumen de reactor es mayor trabajando con TRC de 2 d. Figura 3. Evolución de los nutrientes en el fotobiorreactor para TRC=2 d y TRC=4 d.Tabla 1. Resultados promedio del post-tratamiento con microalgas. Valores N-NH4 P-PO4 N eliminado P eliminado SST (mg·L-1) promedio efluente (mg·L-1) efluente (mg·L-1) (mg·L-1·d-1) (mg·L-1·d-1) TRC=2d 467 11.64 0.11 19.46 / 67.2% 3.70 / 98.5% TRC=4d 606 1.21 0.11 14.62 / 94.6% 2.14 / 98.3%ConclusionesEl tratamiento del efluente de un SAnMBR mediante un sistema de fangos activados hapermitido obtener eliminaciones de N y P del 56 y del 45 % a TRH elevados. En este proceso, ydebido a la concentración de sulfuro presente, el TRH presenta una elevada influencia sobre elproceso de nitrificación. Se ha detectado la presencia de bacterias metanotróficas que junto conla oxidación del sulfuro pueden contribuir en el proceso de desnitrificación. La eliminaciónbiológica de fósforo se ve afectada por el grado de nitrificación. Por otra parte, es posiblemantener un cultivo mixto de microalgas autóctonas alimentadas con el efluente de un SAnMBRque trata agua residual urbana. Los nutrientes son eliminados obteniendo una calidad excelentedel agua de salida, especialmente con TRC de 4 días. Sin embargo, la eliminación diaria porvolumen de reactor es mayor trabajando con TRC de 2 días.AgradecimientosSe agradece la financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación (Proyectos CTM 2008-06809-C02-01/02 y CTM 2011-28595-C02-01/02) y de la Universitat de València (Proyecto precompetitivo UV-INV-AE11-40539).Referencias1. APHA (2005), Standard methods for the Examination of Water and Wastewater, 21th edition. American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environmental Federation, Washington DC, USA.2. Giménez J.B., Robles A., Carretero L., Durán F., Ruano M.V., Gatti M.N., Ribes J., Ferrer J. and Seco A. (2011) Experimental study of the anaerobic urban wastewater treatment in a submerged hollow-fibre membrane bioreactor at pilot scale. Bioresource Technology 102, 8799–8806.3. Islas-Lima S., Thalasso F., Gomez-Hernandez J. (2004) Evidence of anoxic methane oxidation coupled to denitrification. Water Research 38, 13–16. Jeison D. (2007) Anaerobic membrane bioreactors for wastewater treatment: feasibility and potential applications. PhD Thesis. Universidad de Wageningen. Holanda.4. Sears K, Alleman J.E, Barnard J.L and Oleszkiewicz. J.A. (2004) Impacts of reduced sulfur components on active and resting ammonia oxidizers. Journal of industrial microbiology & biotechnology Volume 31. 369-378.5. WRC (1992) Simple titration procedures to determine H2CO3* alkalinity and short-chain fatty acids in aqueous solutions containing known concentrations of ammonium, phosphate and sulphide weak acid/bases, Report No. TT 57/92, Water Research Commission, University of Cape Town, Pretoria, Republic of South Africa.

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