Use of an experimental concentric anaerobic reactor to plug flow to treat brewing efluent

Francisco Pedrique P.^1*, Gerardo Aldana V.², Nancy Rincón³ y Nibis Bracho²

¹Cervecería Polar, planta Modelo, km 10, vía la Cañada, San Francisco, Maracaibo, Venezuela.

²División de Postgrado, Centro de Investigación del Agua, CIA, Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia.

³Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Escuela de Ingeniería Civil, Universidad del Zulia. Apartado 526, Maracaibo 4001-A, Venezuela. *franciscopedrique@cantv.net

Abstract

Experimental concentric anaeróbic reactor to achieve plug flow (RECAFP) on scale was designed to pilot scale to treat an effluent from an internal recirculation reactor (IC) that degrades water industrial from local brewery. Volumetric loads (COD mass volume) were controlled laid-down so that the speeds keep below 0.004 m/s, assuring a hydraulic calm that it maintains the microbial mass within the reactor and varied from 0.18 to 2.8 KgCOD.m^–3.d^–1, as function of hydraulic retention time (HRT), it which was between 6 hours up to 4 days. Results showed that the optimal HRT was for 4 days and maximum removal of 64% for COD, 55% in TSS and 73% for Turbidity with a 0.155 COD volume of kgCOD.m^–3.d^–1 Optimal removal efficiency was obtained for COD 40%, TSS 49% and turbidity 58%. Organic matter constant biodegradable of COD (k) was 0,2652d^–1, rate of anaeróbic mud growth was 0.0956 cm/d. and AME himself was of 0.1 gCOD/gVSS.d. Conclusion showed that the RECAFP was an effective post treatment and when it being used as combination with a IC reactor could reach an efficiency of removal for COD higher to 83% to brewing waters.

Key words: Experimental concentric anaeróbic reactor to plug flow (RECAFP), COD, TSS, anaeróbic treatment, brewing residual waters.

Uso de un reactor experimental concéntrico anaeróbico a flujo pistón para el tratamiento de efluentes cerveceros.

Resumen

Se diseñó un reactor experimental concéntrico anaeróbico a flujo pistón (RECAFP) a escala piloto para el tratamiento del efluente de un reactor de recirculación interna (IC) que degrada aguas residuales de una cervecería, las cargas orgánicas volumétricas (COV) se controlaron de manera que las velocidades se mantuvieran por debajo de 0,004 m/s, asegurando así la quietud hidráulica que sostiene la masa microbiana dentro del reactor y variaron desde 0,18 hasta 2,8 kgDQO.m^–3.d^–1, en función al tiempo de retención hidráulico (TRH), el cual estuvo entre 6 horas hasta 4 días. Los resultados arrojaron que el TRH óptimo fue de 4 días para una remoción máxima de 64% para DQO, 55% en SST y 73% para Turbidez con una COV de 0,155 kg DQO.m^–3.d^–1. Las remociones medias obtenidas para el RECAFP fueron de 40% para DQO, 49% para SST y 58% para turbidez. La constante de degradación de DQO (K) fue de 0,2652d^–1, la tasa de crecimiento del lodo anaeróbico fue de 0,0956 cm/d y la AME del mismo fue de 0,1 gDQO/gSSV.d, concluyéndose que el RECAFP es un postratamiento efectivo y utilizándose en combinación con un reactor IC puede alcanzar una eficiencia de remoción de DQO superior al 83% para aguas cerveceras.

Palabras clave: Reactor experimental concéntrico anaeróbico a flujo pistón (RECAFP), DQO, SST, tratamiento anaeróbico, efluente cervecero.

Recibido el 30 de Junio de 2006 En forma revisada el 30 de Julio de 2007

Introducción

La elevada contaminación existente en los estuarios de Venezuela y particularmente en el Lago de Maracaibo, está llevando a las empresas que trabajan alrededor del mismo a buscar alternativas de tratamiento de sus efluentes líquidos que reduzcan de manera importante el impacto de las descargas al mismo. Las regulaciones ambientales actuales, tales como el Decreto 883 [1], están siendo cada día mas exigentes y los sistemas de tratamientos utilizados a la fecha, resultan con altos costos operativos por la obsolescencia de muchos de ellos o no llevan al efluente a cumplir con las normas técnicas legales vigentes. Las necesidades de reuso del agua y la calidad de agua requerida por dichos reusos, los costos de operación, en especial los energéticos, la presencia de nuevas tecnologías aplicables, la posibilidad de reducción de la generación de lodos residuales a valores inferiores de los típicos de la tecnología aerobia (0.2 a 0.4 kg de biomasa por kg de DQO removido [2], conlleva a la introducción de combinaciones de operaciones y procesos que aumenten la eficiencia global de los tratamiento de las aguas residuales existentes.

En tal sentido, los tratamientos biológicos combinados como anaerobios-anaerobios, anaerobios- aerobios, están siendo ampliamente usados [3], donde las ventajas en reducción de costos operativos, lodo producido (alrededor de un 30%, [4]) y generación de energía mediante la utilización del gas metano producido, es una alternativa muy atractiva en este mundo de hoy. Bajo ese criterio de búsqueda de alternativas de combinaciones entre tratamientos biológicos, en especial, anaeróbicos por la razones antes indicadas, para esta investigación se diseñó a escala piloto, un reactor experimental concéntrico anaeróbico con flujo pistón (RECAFP) de manera que se asemejara en cuanto a normas de diseño y funcionamiento a las descripciones y propiedades [5] de los decanto- digestores (DD), pero con criterios técnicos innovadores que inducieran el comportamiento de flujo pistón.

La eficiencia de los DD depende de varios factores, principalmente, carga orgánica volumétrica, carga hidráulica, geometría, compartimiento y arreglo u orden de las cámaras, dispositivos de entrada y salida, temperaturas y condiciones de operación, normalmente la remoción se sitúa entre 40 y 70% para DQO y 50 a 80% para sólidos suspendidos [5]. Los lodos removidos de los DD son considerados estabilizados [6] y en términos de configuración y funcionamiento como reactor, se asemejan a las lagunas anaeróbica, pero con dimensiones proporcionalmente menores, predominando los mecanismos físicos de sedimentación, con los lodos del desecho depositándose en el fondo, ocurriendo principalmente remoción de DBO, deposición, desarrollo y retención de la biomasa anaerobia [7].

Mediante el diseño innovador del RECAFP, se persigue el objetivo de disminuir la materia orgánica, medida como DQO, y los sólidos suspendidos totales (SST), de un efluente que proviene de un reactor anaeróbico de recirculación interna (IC) que trata aguas residuales de una cervecería de la localidad, caracterizada por una DQO promedio de 2120 mg/L y una concentración de SST de 660 mg/L [8].

Diseño del RECAFP

En el diseño del RECAFP se consideraron dos condiciones: a) mantener la condición anaeróbica del sistema y b) velocidades de flujo bajas (0.004-0.01 m/s) que facilite los mecanismos físicos de sedimentación [9]. Estas dos condiciones producen el aspecto innovador del RECAFP, al cual, para incrementar la eficiencia hidráulica, se le agrego una más, que fue la introducción del concepto de flujo pistón en su funcionamiento. En el diseño se contó con la utilización de un tanque existente, de aproximadamente 12 m³ de capacidad, de forma circular, de 2,9 m de diámetro y 2,0 m de profundidad. A dicho tanque se le realizó un arreglo interno mediante un separador- espaciador en forma de espiral concéntrico, a fin de lograr canalizar el recorrido del agua residual a través de una longitud determinada (Figura 1A y B).

Se redujo la profundidad real del tanque de 2 m a una profundidad efectiva de llenado de 1,8 m, a fin de disminuir el efecto del viento sobre el borde y evitar una posible causa de turbulencia que estimule el intercambio de gases con la atmósfera, se adoptaron 3 secciones internas, resultando un ancho promedio de 0,48mc/u y una longitud total del RECAFP de 13,66 m. El área transversal resultante en el sentido del flujo fue de 0,87 m² que permite, para los caudales aplicados, una velocidad de flujos menores a 0,004 m/s, valor recomendado por [9].

Los caudales y cargas orgánicas volumétricas aplicadas para la presente investigación se muestran, en orden decreciente, en la Tabla 1. Las COV fueron seleccionadas en función de las infraestructuras existentes en la planta de tratamiento de aguas residuales industriales (PTAR) para tratar efluentes industriales de la Industria Cervecera. Parte de dicha infraestructura esta en desuso y las COV a aplicar en este estudio fueron calculadas para futura aplicación en esas instalaciones. El agua residual a tratar provenía del efluente de un reactor IC de 7.920m³/d. de capacidad, cuya materia orgánica medida como DQO variaba diariamente, ya que el tratamiento anaerobio aplicado a las aguas de la cervecera no mantenía constante este valor, dificultando la uniformidad de la carga orgánica en esta investigación.

Materiales y Métodos

Para las determinaciones de los parámetros analizados en la evaluación del RECAFP se utilizaron los métodos estandarizados que se muestran en la Tabla 2 [10], a excepción de los AGV que se determinaron a partir de los sugeridos por Paques Enviromental Technology [11] y Polar [12] como método de control operacional del reactor IC, el cual fue adoptado en la presente investigación para uniformizar los parámetros de control operativos comparables entre ambos reactores. Para el arranque del mismo, no se efectuó inoculación de lodos debido a que la fracción de lodo flocúlenlo que crece en el reactor IC, sale del mismo, por el “lavado” o “arrastre” provocado por el flujo ascendente [12], aunado a esto, es posible desarrollar el lodo activado, a partir de las aguas residuales cerveceras [13]. El proceso experimental duró aproximadamente 7 meses y las muestras se tomaron 2 veces por día durante 5 meses y luego una vez por día, los últimos 2 meses.

Presentación y Discusión de Resultados

En la Tabla 3, se muestran los valores resultantes de remoción (40% para DQO, 49% para SST y 58% para Turbidez) para cada condición operacional aplicada al RECAFP, en la misma se presenta el comportamiento global bajo diferentes condiciones de carga orgánica volumétrica aplicada (COV), pudiéndose afirmar que el porcentaje de remoción de DQO y de la Turbidez se incrementa a medida que disminuye la COV y aumenta el TRH, siendo semejante con el comportamiento de un reactor UASB [14], el cual incrementa su remoción de DQO, ante una disminución de la carga orgánica. La decantación se incrementa a mayor tiempo de retención de los desechos en el reactor y a mayor tranquilidad hidráulica¨[5]. Para los SST, la remoción presenta un leve incremento en función a la carga orgánica aplicada, con un promedio cercano al reportado por Andrade et al. [5] para DD.

En la Figura 2 se aprecia una variación de la DQO, entre 115 hasta 1924 mg/L, a la entrada del reactor RECAFP. Los valores deDQOalcanzados a la salida del sistema se ubicaron entre 75 y 980 mg/L, sin embargo, en todo momento los valores de salida de DQO están por debajo de los de entrada, evidenciándose la efectividad de remoción de los DQO con el RECAFP.

Una regresión lineal (Figura 3) fue efectuada para los valores de carga orgánica aplicada y removida, se observa en la misma, la variación de la remoción de laDQOpara todas las condiciones operacionales aplicadas en el estudio, las cuales se deben, posiblemente a la imposibilidad de controlar la DQO a la entrada del RECAFP, dado que el agua residual proviene, tal como se indico anteriormente, de un reactor IC en uso, cuyo efluente varia considerablemente por sus condiciones operacionales, sin embargo, se aprecia la tendencia decreciente del porcentaje de remoción de DQO a medida que se incrementa la COV aplicada al RECAFP.

Igualmente, en la Figura 4, se aprecia el comportamiento de la DQO efluente a medida que se incrementa la carga orgánica.

En la Figura 5, se aprecia la variabilidad de la concentraciones afluentes de SST al RECAFP, sin embargo, el sistema de tratamiento logra homogenizar las concentraciones a la salida por debajo de 250 mg/L, independientemente de la condición operacional aplicada al reactor, manteniéndose la remoción de sólidos cercana al 50% como se indica en la Tabla 3, coincidiendo con lo obtenido por Bezerra et al. [15] y Andrade et al. [16], para DD.

En cuanto a la Turbidez, en la Figura 6, se aprecia que el comportamiento es similar a los parámetros antes explicados, la turbidez a la salida se encuentra por debajo de los valores de entrada al RECAFP, obteniéndose una remoción de turbidez promedio de 58% como se indica en la Tabla 3.

El porcentaje de remoción de la turbidez se reduce a medida que se incrementa la carga orgánica aplicada (Figura 7) y la turbidez del efluente se incrementa ante un aumento de la carga orgánica (Figura 8).

Se realizó un ANOVA a estos tres parámetros (DQO, SST y Turbidez) arrojando significancia estadística a la carga orgánica aplicada para la remoción de DQO y Turbidez, es decir, a medida que se incrementa la carga disminuye el% de remoción. Los SST resultaron no significativos a la variación de carga.

En la Tabla 4 se presentan las estadísticas correspondientes a los parámetros de temperatura, pH, AGV y alcalinidad que permiten describir el comportamiento del RECAFP caracterizándose como un sistema que produce una reducción de temperatura del fluido en él, como consecuencia del diseño hidráulico tipo serpentín, manteniéndose la misma, dentro del rango mesófilo para que ocurra la digestión anaeróbica (17 y 18).

Observando los valores de pH, AGV y Alcalinidad, se puede afirmar, que las variaciones de dichos valores no se salieron de los rango de tolerancia sugeridos por diversos investigadores para los reactores anaeróbicos, tanto para pH (entre 6,5 y 7,6), ya que se mantuvo dentro del requerido por las bacterias actuantes en la digestión anaeróbica [17-20], como para los AGV (< 3 meq/L) y alcalinidad (< 11 meq/L) que se mantuvieron equilibrados todos ellos entre sí [12], evidenciándose la capacidad amortiguadora del RECAFP [11, 17-19, 21]. Con relación al lodo presente, se caracteriza por ser floculento, denso y de color pardo. Su espesor se determinó mediante la medición, con una vara de madera forrada de gasa blanca y graduada cada 10 cm, desde el fondo del RECAFP hacia arriba, en cada anillo y para cada COV aplicada (Tabla 5).

Durante la investigación no se produjo extracción de lodo y teniendo el tiempo de residencia acumulado del mismo para cada COV aplicada, se determinó su tasa de crecimiento (Figura 9) de manera gráfica, resultando con una tasa de 0,0956 cm/d.

Mediante la medición del metano liberado, por desplazamiento de volumen (Test de Actividad Metanogénica Especifica (AME) se determinó la capacidad de las bacterias metanogénicas para convertir un sustrato orgánico en metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂), a partir de cantidades conocidas de biomasa y de sustrato durante  un periodo determinado [22], resultando una actividad metanogénica de 0,1 g DQO/ g SSV.d, cercano a lo planteado por Mansur [23].

Se determinó la constante de degradación biológica (k) a partir de representación grafica (Figura 10) del logaritmo natural de la concentración efluente del RECAFP con respecto al tiempo, aplicando para ello la conocida ecuación para reactores de flujo pistón (C=C_oe^–kt ). La pendiente de la recta es el valor de k [24].

Los valores utilizados para la determinación de k se muestran en la Tabla 6, se obtuvo un valor de k de 0.2652 d^–1, con una R² de –0,88, lo que indica un buen ajuste de la recta y una proporcionalidad inversa entre la concentración efluente del RECAFP y TRH.

En vista de que el RECAFP no tenia cubierta, se verifico la condición anóxica del mismo, mediante la medición de OD y temperatura, desde el fondo del reactor hacia arriba, la cual se mantuvo en todo momento, dentro de un rango de 0,31 a 0,07 mg OD/L (Tabla 7), garantizándose la ausencia de posible problemas de toxicidad [20, 25 y 26].

La combinación de los reactores IC + RECAFP produce una remoción mayor del 84% del DQO y 76% de los SST presentes en el afluente industrial cervecero, según se aprecia en la Tabla 8.

Conclusiones

El RECAFP, como post-tratamiento, demostró ser eficiente para el mejoramiento de la calidad del efluente del reactor IC, obteniéndose remociones promedios de 40% para los DQO, 49% para los SST y 58% para la turbidez. El% de remoción de la DQO y de la Turbidez resultaron significativo (a = 0.05) a la variación de COV., la remoción de SST, estadísticamente no resultó significativa (a = 0,05) a la variación de C.OV aplicada y las mayores remociones, tanto de DQO (64%), como de SST (55%) y de Turbidez (73%) se obtuvieron para el rango de COV. aplicada de 0.097 a 0,155 kg DQO. m^–3.d^–1 y un TRH de 4 días.

Debido al diseño concéntrico del RECAFP, se produce un efecto de serpentín en espiral descendiente que conduce a una reducción promedio de la temperatura entre el valor de la entrada y de la salida en el reactor de 2,81°C para 14m de longitud de recorrido y un incremento del TRH y se demuestra la capacidad amortiguadora del RECAFP debido a que los parámetros físico-químicos (pH, AGV y alcalinidad) presentaron poca variación entre la entrada y la salida del mismo, manteniéndose en todo momento dentro de los rangos recomendados para la digestión anaeróbica.

No se requirió inoculación de lodo para el arranque debido a que una fracción del lodo floculento que crece en el reactor IC, sale del mismo, “instalándose” en el RECAFP, el tipo de lodo formado sigue siendo floculento, denso, con pocas características de sedimentabilidad, con una tasa de crecimiento de 0,0956 cm/día, una AME de 0.1 g DQO/g SSV.d. y una constante de degradación biológica (k) obtenida para las condiciones de la investigación fue de 0.2652d–1. Se sugiere continuar con investigaciones mas profundas para determinar, el como y cuando, se deberá remover los lodos generados en el RECAFP.

El estado anóxico del RECAFP se mantuvo para todas las condiciones de operación, variando el OD en el rango de 0,31 a 0,08 mg/L en el primer anillo, de 0,12 a 0,07 mg/L en el 2do anillo y de 0,07 mg/L en toda la profundidad del 3cer anillo.

La combinación de los reactores IC + RECAFP produce una remoción mayor del 84% del DQO y 76% de los SST presentes en el afluente industrial cervecero.

Agradecimiento

A la División de Postgrado de la Facultad de Ingeniería de La Universidad del Zulia y a Empresas Polar, planta Modelo quienes patrocinaron esta investigación.

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