Effect of the organic load in the performance the UASB reactor treating slaughterhouse effluent 

Yaxcelys Caldera¹*, Pedro Madueño², Alonso Griborio², Nola Fernández² y Edixon Gutiérrez³ 

¹Laboratorio de Investigaciones Ambientales del Núcleo Costa Oriental del Lago (LIANCOL). Universidad del Zulia. Cabimas, Estado Zulia, Venezuela. ²Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (DISA), Facultad de Ingeniería. ³Centro de Investigación del Agua (CIA), Facultad de Ingeniería. Universidad del Zulia. Maracaibo Estado. Zulia, Venezuela. *E-mail: yaxcelysc@hotmail.com 

Asbtract 

The behavior of a UASB reactor of 4 L was studied at mesophilic condition treating wastewater from the meat industry. The organic loads (OL) of 1.82 ± 0.18; 3.21 ± 0.27; 6.33 ± 0.23; 8.40 ± 0.19; 9.98 ± 0.88 and 12.30 ± 0.49 kg COD/m³d, were evaluated at hydraulic retention time (HRT) of 24 h. During the experiment the following parameters were monitored to evaluate the operation of the reactor: pH, alkalinity, chemical oxygen demand (COD), temperature, biogas production, methane content in the biogas, production of volatile fatty acids (VFA), total suspended solids (TSS) and volatile suspended solids (VSS). Each OL stayed until reaching the stability in the operational parameters of the reactor. The results demonstrated the efficiency of the UASB reactor to treat slaughterhouse wastewaters for long range OL (1.82 - 12.30 kg COD/m³d). The COD removal percentage was 80% to OL 9.98 kg COD/m³d to HRT of 24 h. The increment of OL affected significantly the variables evaluated, (except pH). A decrease in COD removal and methane percentage were observed, while the VSS, alkalinity and VFA concentration were increased. 

Key words: Slaughterhouse effluent, UASB reactor, anaerobic treatment, mesophilic condition.

Efecto de la carga orgánica en el funcionamiento de un reactor UASB durante el tratamiento de efluente cárnico 

Resumen 

Se estudió el comportamiento de un reactor UASB de 4 L bajo condiciones mesofílicas durante el tratamiento de agua residual de una industria cárnica, se evaluaron las cargas orgánicas (CO) de 1,82 ± 0,18; 3,21 ± 0,27; 6,33 ± 0,23; 8,40 ± 0,19; 9,98 ± 0,88 y 12,30 ± 0,49 kg DQO/m³d, a tiempo de retención hidráulico (TRH) de 24 h. Durante la experimentación se monitorearon los siguientes parámetros para evaluar el funcionamiento del reactor: pH, alcalinidad, demanda química de oxígeno (DQO), temperatura, producción de biogás, contenido de metano en el biogás, producción de ácidos grasos volátiles (AGV), sólidos suspendidos totales (SST) y sólidos suspendidos volátiles (SSV). Cada CO se mantuvo hasta alcanzar la estabilidad en los parámetros operacionales del reactor. Los resultados demostraron la eficiencia del reactor UASB para tratar aguas residuales de industrias cárnicas a un amplio rango de CO (1,82 - 12,30 kg DQO/m³d). Se obtuvo un porcentaje de remoción de DQO de 80% para una CO de 9,98 kg DQO/m³d a TRH de 24 h. El incremento en la CO influyó significativamente sobre la variabilidad de los parámetros evaluados (con excepción del pH), ocasionando la disminución del porcentaje de remoción de DQO y del porcentaje de metano y el aumento en las concentraciones SSV, alcalinidad y AGV. 

Palabras clave: Efluente cárnico, reactor UASB, tratamiento anaerobio, condiciones mesofílicas.

Recibido el 22 de Noviembre 2004

En forma revisada el 13 de Junio 2005

Introducción 

Los efluentes líquidos de las industrias cárnicas se caracterizan por un alto contenido de materia orgánica (DQO), sólidos suspendidos, grasas, nitrógeno y fósforo. Sus características varían dependiendo del proceso industrial y del consumo de agua [1]. Estos efluentes son el resultado de la mezcla de las distintas líneas de los procesos de desangrado, desosado, mondonguería, tripería y lavado de corales [2]; su composición y el flujo generalmente dependen del número de animales sacrificados [3]. Los principales efectos perjudiciales de los vertidos de las fábricas de productos cárnicos son: la disminución del oxígeno, depósito de fangos, colores y una situación general desagradable. Si estas aguas residuales no son tratadas, antes de su descarga, contribuyen a la degradación de los medios acuáticos [4]. Dado el alto contenido de materia orgánica presente en los efluentes cárnicos, los sistemas biológicos anaerobios son los más convenientes para su tratamiento [5]. 

El proceso de tratamiento anaerobio ha sido ampliamente conocido por su capacidad para convertir desechos en productos útiles, como metano, una excelente fuente de energía [6]. Los sistemas de tratamiento anaerobios modernos son flexibles, aplicándose para un amplio rango de aguas residuales de composición simple o compleja, con cargas orgánicas bajas, moderadas o altas a diferentes rangos de temperatura [7]. El desarrollo del reactor anaerobio de manto de lodo de flujo ascendente UASB (por sus siglas en inglés Upflow Anaerobic Sludge Blanket) representa la principal ventaja de la digestión anaerobia como sistema de tratamiento de aguas residuales de alta carga [8]. Hoy en día el reactor UASB se ha aplicado para tratar una variedad de aguas residuales industriales, destacándose por su capacidad de retener biomasa, por la formación de lodo granular con altas propiedades de sedimentación y por manejar altas cargas orgánicas a TRH cortos [9]. Su factibilidad fue demostrada para aguas residuales de alta carga, como los efluentes de matadero [10]. 

El objetivo de este trabajo fue evaluar el comportamiento del reactor UASB mesofílico a flujo continuo, a escala de laboratorio, durante el tratamiento de agua residual de una industria cárnica, con el fin de determinar la eficiencia de remoción de materia orgánica, para diferentes cargas orgánicas (CO) a TRH de 24 horas. 

Materiales y Métodos 

Equipo experimental 

Para realizar el estudio se utilizó un reactor UASB construido en plexiglás, con una capacidad de 4030 mL, altura total 68 cm y diámetro externo 10,5 cm. El reactor se inoculó con lodo anaerobio granular (un 30% del volumen útil del reactor) proveniente de reactor anaerobio de una industria cervecera. En el fondo del reactor se colocó grava para proveer una distribución uniforme del flujo, la que ocupó aproximadamente un 4% del volumen útil del reactor (162 mL). El gas producido en el reactor fue medido por desplazamiento del agua en un colector de gas conectado a un tanque abierto a la atmósfera, el cual contenía agua acidificada (ácido sulfúrico 0,1 N) para reducir la solubilidad del CO₂, y expresado como litro por día a condiciones estándar de temperatura y presión, STP (273°K y 1 atm). El reactor se colocó en un cuarto mesofílico a temperatura controlada a 37°C ± 1ºC en el laboratorio. La Figura 1 muestra el esquema de funcionamiento del reactor.

El reactor comenzó a funcionar por carga durante 72 h, después de inoculado, con agua residual sintética constituida por: agua destilada, solución de glucosa y nutrientes [11]. Se inició con una DQO de aproximadamente 1000 mg DQO/L de agua residual sintética, para lo cual se agregó una cantidad adecuada de glucosa (1 g glucosa/L de agua destilada). Adicionalmente, para ajustar el pH a 6,7-7,5 se agregó bicarbonato de sodio en una cantidad equivalente de 1 g/L.

Posteriormente fue puesto en funcionamiento a flujo continuo con el mismo sustrato, para un tiempo de retención de 24 h, regulando el caudal de entrada con una bomba peristáltica a 2,8 mL/min. Después de estabilizado el sistema, se alimentó diariamente el reactor con efluente cárnico iniciando con una CO de 1,82 ± 0,18 kg DQO/m³d sin ajuste del pH. Se consideraron como valores estables en los parámetros de operación del sistema: reducción de DQO superior a 80%, producción de metano superior a 0,10 m³ CH₄/kg DQO removida a STP y valores de la relación AGV/AB menores de 0,30 [12]. 

Agua residual 

La muestra de efluente cárnico fue suministrada por El Matadero San Isidro, ubicado en la vía La Concepción a 15 km de Maracaibo, Estado Zulia, Venezuela. El promedio diario de animales sacrificados, para el momento de la experimentación, fue de 20 a 30 bovinos, 10 a 15 porcinos y 4 a 7 ovinos. La muestra de agua residual fue tomada directamente del tanque de almacenamiento temporal del efluente en el matadero. El agua residual llegaba al tanque por un sistema de canales y tuberías conectados a los diferentes puntos del proceso productivo: limpieza de corrales, sala de matanza y secciones de subproductos. El efluente, antes de llegar al tanque, pasaba por una tanquilla que contenía una rejilla a la entrada donde se retenían los sólidos de mayor tamaño presentes en el agua residual. Las muestras colectadas se almacenaron en envases plásticos de 20 L de capacidad, se trasladaron al laboratorio y se refrigeraron a 4°C para su conservación; posteriormente fueron analizadas e incorporadas al reactor para su tratamiento. 

Control y análisis del sistema 

El comportamiento del reactor UASB, durante el tratamiento de las aguas residuales de una industria cárnica, fue estudiado para diferentes CO (Tabla 1). Se inició con una CO de 1,82 ± 0,18 kg DQO/m³d y se varió la concentración para obtener las CO de 3,21 ± 0,27; 6,33 ± 0,23; 8,40 ± 0,19; 9,98 ± 0,88 y 12,30 ± 0,49 kg DQO/m³d, a TRH de 24 horas (TRH utilizado por diversos investigadores para evaluar el funcionamiento de este tipo sistema con sustrato cárnico). Se comenzó con CO diluidas (las diluciones se realizaron con agua destilada) y se disminuyó progresivamente el factor de dilución trabajando en algunos casos con la muestra pura. Cada CO se mantuvo hasta alcanzar valores estables en los parámetros de operación del reactor.

Tabla 1

Condiciones de operación del reactor UASB a TRH de 24 h 

Se evaluaron los siguientes parámetros: pH, alcalinidad, demanda química de oxígeno (DQO), sólidos suspendidos totales (SST), sólidos suspendidos volátiles (SSV) tanto a la entrada como a la salida del reactor, según lo establecido en la metodología del estándar métodos [13]. 

Adicionalmente, se determinó por cromatografía, según condiciones de operación descritas por Caldera y col. [14], la concentración de los siguientes ácidos grasos volátiles (AGV): ácido acético, ácido propiónico y ácido butírico a la salida del reactor, así como la concentración de metano contenido en el biogás. 

La evaluación de las muestras se realizó por triplicado calculando para cada caso el promedio y la desviación estándar. El tratamiento estadístico fue realizado utilizando el programa de computación SPSS 10.0 para windows. 

Resultados y Discusión 

Las muestras recolectadas durante el curso de la investigación se analizaron y se obtuvo la caracterización del agua residual de la industria cárnica (Tabla 2). Se observa que el efluente cumple con los requerimientos nutricionales necesarios para llevar a cabo la actividad biológica, por lo que no fue necesario agregar nutrientes al agua residual.

Tabla 2

Características del efluente cárnico 

Funcionamiento del reactor 

El reactor se alimentó inicialmente con glucosa como sustrato a una CO baja de 1,09 ± 0,16 kg DQO/m³d, obteniéndose un alto porcentaje de remoción de materia orgánica para esta CO con valores promedio de 89,98 ± 3,22%, demostrando la actividad del lodo anaerobio. Debido a este comportamiento se procedió a cargar el reactor con el efluente cárnico, realizando las respectivas diluciones, con agua destilada, para alcanzar la CO de 1,82 ± 0,18 kg DQO/m³d, manteniendo el mismo TRH, 24 h. La Tabla 3 presenta las CO evaluadas y los porcentajes de remoción de DQO obtenidos y la Figura 2 muestra el comportamiento del porcentaje de remoción en términos de DQO.

Tabla 3

Remoción de demanda química de oxígeno (DQO) para las diferentes cargas orgánicas (CO) evaluadas a TRH de 24 h 

La CO de 1,82 ± 0,18 kg DQO/m³d se evaluó durante 12 días y se obtuvo una variación en el porcentaje de remoción de DQO entre 91% y 95%. Dado el alto porcentaje de remoción de materia orgánica obtenido se continuó incrementando la CO a 3,21 ± 0,27 kg DQO/m³d observándose el mismo comportamiento, valor máximo de 95% y mínimo de 91%. Posteriormente se aumentó la CO a 6,33 ± 0,23 kg DQO/m³d, donde se obtuvo una remoción de DQO promedio del 92,52 ± 1,51%, para el mismo TRH 24 h. Estas CO se evaluaron por 13 y 16 días, respectivamente. El reactor durante el tratamiento del efluente cárnico para las CO de 1,82; 3,21 y 6,33 kg DQO/m³d, para un TRH de 24 h a 37°C ± 1ºC, mostró un comportamiento similar y en algunos casos superior al obtenido para la glucosa. Esto demuestra que el efluente cárnico presenta los requerimientos nutricionales necesarios para que los microorganismos anaerobios cumplan su función de degradar la materia orgánica, lo que hace que este tratamiento sea adecuado para el tratamiento de este tipo de efluente [15]. 

En este estudio se obtuvieron porcentajes de remoción de DQO mayores a los reportados por Del Nery y col. [16], Martínez y col. [2], Manjunath y col. [3] y Ruiz y col. [17], durante el tratamiento de efluentes cárnicos. Del Nery y col. [16] encontraron que para las CO de 1,09; 1,15 y 1,54 kg DQO/m³d con TRH de 1,98 d; 1,65 d y 1,68 d, respectivamente, las remociones de DQO para tres reactores UASB a escala fueron de 88%, 77% y 84%-86%. Martínez y col. [2] reportaron una eficiencia de remoción de DQO del 77% para una CO de 1,8 kg DQO/m³d, para un sistema de dos reactores UASB a escala de laboratorio; mientras que Manjunath y col. [3], en un reactor UASB de 11,4 L con una CO de 4 kg DQO/m³d para TRH 22 h, encontraron una remoción de DQO del 60% a 68%. Ruiz y col. [17] trabajando con efluentes cárnicos de alto contenido de materia orgánica (8000 mg DQO/L) en un reactor UASB de 2 L a condiciones mesofílicas (37ºC) obtuvieron una remoción de 90% y 60% para las CO de 5 y 6,5 kg DQO/m³d, respectivamente, a un TRH de 28,8 h.

Se incrementó la CO a 8,40 ± 0,19 kg DQO/m³d, día 43, y se observó una disminución en el porcentaje de remoción de DQO obteniéndose valores en el rango de 81% a 85%. Posteriormente se evaluó la CO de 9,98 ± 0,88 kg DQO/m³d produciéndose una caída en el porcentaje de remoción de DQO, alcanzando valores mínimos de 51%. La evaluación de estas nuevas condiciones se inició el día 58 con una duración de 14 días, alcanzando la estabilización del sistema después del día 62 con porcentajes de remoción promedio de DQO de 80,36 ± 2,10%. 

El estudio finalizó al evaluar, por 17 días, la CO de 12,30 ± 0,49 kg DQO/m³d, que corresponde a la máxima concentración del sustrato para este estudio, obteniéndose un porcentaje de remoción de DQO máximo de 75% considerada una eficiencia alta al compararla con los resultados obtenidos por otros investigadores. Sayed y col. [18], durante el tratamiento de efluentes cárnicos en un reactor UASB granular, obtuvieron porcentajes de remoción de DQO en el rango de 55%-85% para TRH menores (12 y 14,4 h) con una CO de 11 kg DQO/m³d. Caixeta y col. [15] evaluaron el tratamiento de aguas residuales de una industria cárnica en un reactor UASB de 7,2 L con una configuración no convencional, un sistema de separación de tres fases. Reportan valores de remoción de DQO entre 77% y 91% durante el estudio. Para concentraciones entre 2000 y 6000 mg DQO/L a TRH de 14, 18 y 22 h obtuvieron porcentajes de remoción de DQO de 85%, 84% y 80%, respectivamente. 

La producción de ácido acético estuvo por encima de la del ácido propiónico y del ácido butírico (Figura 3). Se observa un incremento en la concentración de los AGV con el aumento de la CO, así como los máximos valores para la CO de 12,30 ± 0,49 kg DQO/m³d. El incremento de CO afectó la degradación de los AGV, siendo el ácido acético y el ácido propiónico los que se encuentran en mayor concentración. El aumento de la concentración de los AGV podría asociarse a una sobrecarga de la alimentación o a una posible inhibición de las metanobacterias. A su vez una gran concentración de AGV, podría llevar a acidificar el reactor produciendo el fallo del proceso de digestión [19]. También, la acumulación de ácidos en los sistemas anaerobios podría deberse a que la velocidad a la que se producen los AGV es mayor que la velocidad de consumo de éstos, lo que origina acumulación de los AGV no degradados, conduciendo a la acidificación del sistema [20]. Alexiou y Anderson [21], durante el pretratramiento de efluentes cárnicos de altas CO (2 a 51 kg DQO/m³d) en un reactor anaerobio para la etapa de acidificación, reportan que los ácidos encontrados en mayor proporción siguieron el orden decreciente acético, propiónico y butírico, y en algunos casos la producción de ácido propiónico fue tan alta como la del acético. Para la CO de 18 kg DQO/m³d, a TRH de 12 h, pH 7,0 y 37°C obtuvieron un 90% de DQO acidificada.

Al comparar el comportamiento de la curva de ácido acético con la curva de remoción de DQO (Figura 2), para la CO de 12,30 kg DQO/m³d, se podría concluir que el incremento en la CO originó una alta concentración de AGV, provocando la caída en el porcentaje de remoción de DQO. Se obtuvo un valor promedio de la relación AGV/AB en el rango de 0,01 a 0,34; con el máximo valor de 0,34 para la CO de 12,30 kg DQO/m³d. Este valor indica inestabilidad en el sistema, ya que esta relación es un indicativo de la capacidad tampón del sistema, los valores deseables están entre el rango 0 a 0,10; valores iguales o superiores a 0,50 indican que existen problemas en el reactor [14]. Los valores de AGV/AB inferiores a 0,30 se obtendrían cuando el proceso se mantiene estable, mientras que valores superiores a 0,30 estarían asociados a cierta inestabilidad en el proceso [22]. A pesar de la alta producción de AGV para la CO de 12,30 kg DQO/m³d (con una relación AGV/AB igual a 0,34) se obtuvo una producción de metano del 62,0% (Figura 4).

Núñez y Martínez [23], obtuvieron una relación AGV/AB entre 0,22 y 0,17; durante el tratamiento de un efluente cárnico en un reactor de lecho de lodo granular expandido (EGSB), indicando que no hubo acumulación de AGV dentro del reactor. Del Nery y col. [1] reportaron concentraciones menores de AGV en efluente cárnico, a CO bajas, tratado en reactores UASB. Obtuvieron valores en el rango de 44-95 mg/L, indicando que estos valores son adecuados para este sistema y representan el equilibrio de la población microbiana activa en el proceso. La máxima CO evaluada fue de 2,1 kg DQO/m³d a TRH de 17 h. Del Pozo y col. [24] observaron un episodio de acidificación en un reactor anaerobio de película fija durante el tratamiento de efluentes cárnicos. Al aumentar la CO de 3,7 a 9,2 kg DQO/m³d, la relación de alcalinidad incrementó de 0,37 a 0,50 y la eficiencia de remoción de DQO disminuyó desde 64% a 35%. 

Los valores de concentración de AGV obtenidos en este estudio se encuentran dentro del rango considerado óptimo, 50-500 mg/L, para la degradación anaerobia de materia orgánica, con excepción de las CO de 12,30 ± 0,49 kgDQO/m³d [25]. 

Los valores de porcentaje de metano se mantuvieron en el rango de 59% a 75%. Estos resultados son comparables a los obtenidos por Martínez y col. [2] y Núñez y Martínez [23] durante el tratamiento de efluentes cárnicos en sistemas anaerobios. Martínez y col. [2] obtuvieron una producción de metano en el biogás de 65% para una CO de 1,8 kg DQO/m³d. Núñez y Martínez [23], evaluaron CO en el rango de 6,3 - 2,9 kg DQO/m³d para TRH de 15 h y obtuvieron porcentajes de metano promedio de 60,5%, concluyen que la actividad metanogénica no fue deteriorada al aumentar la CO debido a las condiciones adecuadas de pH 7,7 y alcalinidad 980 mg CaCO₃/L. 

La Tabla 4 muestra los resultados del estudio de correlación múltiple realizado con la finalidad de conocer la relación existente entre los diferentes parámetros evaluados, considerando un nivel de significancia al nivel 0,05 y n = 35. Se observa una correlación significativa de la carga orgánica y la remoción de DQO con todos los parámetros evaluados (con excepción del pH). Los valores de pH del sistema se mantuvieron en el rango de 6,9 ± 0,1 - 7,2 ± 0,1; valores aceptables para el crecimiento de los organismos anaerobios, superiores a 4,0 e inferiores a 9,0 [25].

Tabla 4

Resultados del análisis de correlación múltiple entre algunos parámetros evaluados, durante el tratamiento del efluente cárnico, considerando un nivel de significancia al nivel 0,05 y n= 35 

                                      *Correlación significativa a la nivel 0,05. 

El incremento en la CO influyó significativamente sobre la variabilidad de los parámetros evaluados. A medida que se incrementó CO disminuyó el porcentaje de remoción de DQO y disminuyó el porcentaje de metano (r= – 0,80 y – 0,69, respectivamente), mientras que el volumen de biogás (STP) y las concentraciones de SSV, alcalinidad y AGV aumentaron. La remoción de DQO fue afectada significativamente por el incremento en la concentración de los AGV (r= – 0,70), lo que podría deberse a la acumulación de estos AGV en el reactor, produciendo deterioro del lodo por lo que incrementó la concentración de los SSV a la salida. Una correlación positiva se observó entre la remoción de DQO y la producción de metano (r= 0,68). 

La producción de biogás aumentó con el incremento de la CO (r = 0,98), sin embargo el porcentaje de metano disminuyó lo que indica la presencia de otros gases en el biogás (CO₂ e H₂). La presencia de estos gases en el biogás estaría asociada a una deficiencia en el proceso de conversión del sustrato por parte de los microorganismos metanogénicos hidrogenotróficos. 

Conclusiones 

Los resultados demostraron la eficiencia del reactor UASB para tratar las aguas residuales de las industrias cárnicas a un amplio rango de cargas orgánicas (1,82 - 12,30 kg DQO/m³d). Se obtuvo un porcentaje de remoción de DQO de 80% para una CO de 9,98 kg DQO/m³d a TRH de 24 h. 

El incremento en la CO influyó significativamente sobre la variabilidad de los parámetros evaluados (con excepción del pH), ocasionando la disminución del porcentaje de remoción de DQO y del porcentaje de metano, así como un aumento en el volumen de biogás, y en las concentraciones de SSV, alcalinidad y AGV. 

El sistema mantuvo el equilibrio ácido-base, a pesar de la alta concentración de AGV durante la evaluación de la CO de 12,30 kg DQO/m³d, obteniéndose un porcentaje de remoción de DQO de 71,5% y un porcentaje de metano 62,0%. 

La producción de metano varió en el rango de 59% a 75% durante la evaluación de las diferentes CO.

Agradecimiento 

Los autores agradecen al Fondo Nacional de Ciencia Tecnología e Innovaciones (FONACIT) y al Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico de la Universidad del Zulia (CONDES). 

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