Eficiencia del sistema de esponjas colgantes DHS de primera generación en el tratamiento del efluente del reactor UASB

Abstract

El tratamiento anaerobio de aguas residuales domésticas es una tecnología eficiente, compacta, fácil de operar y de bajo costo. Sin embargo, el tratamiento anaerobio por sí sólo no puede alcanzar los estándares de calidad que nuestra legislación exige para efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales. En esta investigación se muestra la aplicación de una tecnología alternativa de post tratamiento o tratamiento secundario diseñada para tratar el efluente de los reactores anaerobios de manto de lodos y flujo ascendente (UASB), que tiene la ventaja de generar un gran ahorro de terreno en comparación con las lagunas facultativas; simplificar la operación y bajar los costos de construcción en comparación con los filtros percoladores y procesos de lodos activados. Esta tecnología es conocida por sus siglas en inglés como DHS (Downflow Hanging Sponges) o “esponjas colgantes de flujo descendente” y su principio de funcionamiento es el desarrollo de una película biológica en la superficie de las esponjas que realiza los procesos de depuración del agua residual. La aplicación y evaluación de esta tecnología en nuestro medio a nivel experimental es el objetivo de la presente tesis de investigación. Se estudia la eficiencia del sistema DHS en el tratamiento del efluente de un reactor UASB que trata el agua residual doméstica de una población de 9 000 habitantes. El sistema DHS experimental fue diseñado para operar con un tiempo de retención hidráulico de 90 minutos y tratar un caudal de 61 l/día con un caudal de recirculación equivalente. El sistema estuvo en funcionamiento por un tiempo de 236 días. La investigación se realizó en la ciudad de Lima-Perú en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales del Centro de Investigación de Tratamiento de Aguas Residuales y Residuos Peligrosos de la Facultad de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Ingeniería. Para este estudio se montó un pequeño sistema DHS que consistió en cubos de esponjas de poliuretano ensartados en serie y suspendidos dentro de dos columnas de vidrio instaladas en serie, abiertas por la parte superior e inferior. La alimentación de este sistema provino del efluente del reactor UASB que se almacenaba en un cilindro para graduar el ingreso al sistema DHS. El desagüe tratado a través de este sistema se recibía en una unidad de sedimentación diseñada a escala. Este efluente era recibido en un recipiente desde donde se bombeaba parcialmente a la zona de alimentación del sistema para que se mezcle en partes iguales con el afluente proveniente del UASB. El monitoreo se realizó mediante un muestreo en cuatro puntos del sistema: en el punto de ingreso del efluente del UASB; en el punto de mezcla del efluente del UASB con el caudal recirculado; en la salida de la primera columna de tratamiento y en la salida del recipiente de recirculación. Se evaluó el sistema mediante el análisis de los parámetros enfocados en el estudio que consistieron en mediciones diarias de los parámetros físicos y mediciones semanales de los parámetros químicos y bacteriológicos. Los parámetros evaluados fueron: la temperatura, el pH, la conductividad, el oxígeno disuelto, la turbiedad, los sólidos, la demanda bioquímica de oxígeno al quinto día, la demanda química de oxígeno, nitrógeno y coliformes termotolerantes o fecales. Los análisis de laboratorio se realizaron bajo la metodología estándar y el uso de manuales y reactivos de los equipos colorimétricos Hach. Asimismo, se usaron en el monitoreo un conductivímetro, potenciómetro, oxímetro y termómetro digitales. El sistema fue capaz de remover 84,6 % de turbiedad, 94 % de DBO, 11 % de sólidos totales, 84 % de DQO y 99,961 % de Coliformes fecales. Estos resultados llevan a concluir que el sistema DHS presenta una alta eficiencia y estabilidad en el tratamiento de la carga orgánica y bacteriológica del efluente de un reactor UASB. La generación de lodos por el sistema fue mínima (0,02 gramos de sólidos suspendidos volátiles por día), al igual que la concentración de sólidos sedimentables en el efluente (0.06 ml por litro de efluente tratado). El periodo de maduración del reactor hasta alcanzar su eficiencia óptima en el tratamiento del agua residual fue de 4 a 5 meses bajo las condiciones del experimento sin la utilización de un inóculo. Sin embargo, los resultados en el análisis de los procesos de tratamiento del nitrógeno demuestran que es necesario un post tratamiento o una extensión del tratamiento con la misma tecnología DHS para alcanzar niveles en la reducción de este parámetro aceptables por la Legislación Peruana para el reúso de efluentes en riego de vegetales y bebida de animales (ECA Categoría 3: 10 mg/l NO3-N) como lo estipulan los estándares de calidad ambiental.

Anaerobic wastewater treatment units are a widespread technology because they are compact, low cost and easy to operate. However, anaerobic treatment by itself cannot achieve the quality standards of Peruvian legislation for wastewater treatment plants. This research implements an alternative technology for the post treatment of anaerobic systems, the DHS, Downflow Hanging Sponges technology has the advantages of saving space, having constructional and operational simplicity and financial fitness in comparison with treatment ponds, trickling filters and activated sludge units. The principal of the DHS treatment system is the use of polyurethane sponge as a growing and supporting media for various microorganisms, which develop the wastewater purification process. The objective of this research is the implementation and evaluation of this technology in our media. The target is to study the efficiency of this system in the treatment of the effluent of a UASB (Underflow Anaerobic Sludge Blanket) reactor that treats the domestic wastewater of a population of 9 000 people. This DHS experimental unit was designed to operate with a 90 minute hydraulic retention time and to treat a 61 l/day flow of UASB effluent plus an equivalent recycling of treated wastewater from the DHS unit. This experimental system was working for a period of 236 days. The research was developed in Lima city in the wastewater treatment plant –CITRAR- of the National University of Engineering. A small DHS reactor was built for this study with strips of cubes of polyurethane sponges hanging inside two glass columns open at the surface and bottom. The inflow to the system was the UASB effluent stored in a unit to control the inflow rate. The wastewater treated by this system was received in a sedimentation unit designed by scale and then was partially pumped to the inflow of the system. The samples were taken in four monitoring stations: the inflow to the system of the UASB effluent; the mixing point of the UASB effluent and the recycling of the DHS system; the effluent of the first treatment column and the effluent of the DHS system after the sedimentation unit. The monitoring of the physical parameters were done daily and the monitoring of the chemical and bacteriological parameters were done weekly. The following parameters were monitored: temperature, pH, conductivity, dissolved oxygen, turbidity, solids, biochemical oxygen demand, chemical oxygen demand, nitrogen and fecal coliforms. The laboratory analysis was done following the Standard Methods and the use of the reagents and instruments of the Hach Colorimeter DR 850. Some digital instruments were also used such as conductivity meters, pH meter, oxygen meter, and thermometer. The system removed 84,6 % of turbidity, 94 % of BOD, 11 % of total solids, 84 % of COD and 99,961 % of Fecal Coliforms. In conclusion, the DHS system exhibited high efficiencies in the treatment of the organic and bacteriological loads of the effluent of a UASB reactor. There was a minimum rate of sludge generation (0,02 grams of volatile suspended solids per day) and of settleable solids (0,06 ml per liter of treated effluent) by the system. The startup period of the system to reach the optimum treatment levels for most parameters was 4 to 5 months without the use of inoculum. However, further treatment is required to reach the Peruvian legislation requirements for Nitrogen concentrations for the reuse of the effluents in vegetable irrigation and animal beverage.