Metodología para el desarrollo de lodo granular aerobio bajo distintas condiciones de carga volumétrica

Abstract

En nuestro país se viene aplicando nuevas normativas ambientales que proponen un reto para las actividades económicas, especialmente para el sector industrial que se ve obligado a darle una correcta disposición a sus residuos sólidos y líquidos, las fábricas de producción asentadas en ciudades y cercanías no cuentan con espacio para la implementación de sistemas de tratamiento de aguas residuales y carecen de presupuesto para el mantenimiento de los mismos, por tal motivo es importante realizar investigación en tecnología viable en estas condiciones. La tecnología de lodo granular aeróbico (LGA) para el tratamiento de aguas residuales ha sido materia de investigación en países desarrollados, debido a sus amplias ventajas con respecto a los métodos convencionales de tratamiento biológico en cuanto a la reducción de espacios, eficiencia en remoción de materia orgánica, nutrientes y simplicidad de operación y mantenimiento, siendo una alternativa adecuada para la solución de la problemática actual descrita para el sector industrial y sus residuos líquidos. La presente tesis definirá una metodología de desarrollo de lodo granular aeróbico a partir de un inoculo de lodo activado, para tratar agua residual industrial orgánica proveniente de la producción de colorante antocianina de camote nativo; bajo el control de los parámetros operacionales en tres (03) reactores tipo SBR trabajando en paralelo en ciclos de 24 horas de reacción biológica. Se ha considerado la aplicación de cargas orgánicas volumétricas (CV) diferentes en los reactores a partir de la variación de la relación de intercambio volumétrico que se extrae como efluente (%RIV), siendo 60% para el reactor R1, 50% para el reactor R2 y 40% para el reactor R3; la intensidad de aireación se mantuvo en 3.72 cm/s y el tiempo de retención de solidos (o celular) TRS fue de 20 días a fin de promover la generación de polímeros extra celulares (EPS) base para la agregación microbiana, se implantaron procesos selectores de microorganismos como la estrategia de alimentación por tandas, tiempos cortos de llenado y la reducción de tiempos de sedimentación, siendo este último el principal parámetro de control durante la granulación aeróbica. La metodología de granulación consistió en la reducción sucesiva de los tiempos de sedimentación durante cada tanda operativa de los reactores SBR, usando una expresión matemática exponencial como guía del proceso, teniendo como meta reducir el tiempo de sedimentación de 30 minutos, propios del lodo floculento, a 5 minutos como lodo granular, se controló la adecuada sedimentabilidad del nuevo lodo formado utilizando el índice volumétrico de lodos (IVL) en el tiempo de sedimentación propuesto para la tanda. Fueron necesarias dos etapas de investigación, dado que durante la primera etapa con CV de 1.80, 1.50 y 1.20 Kg DQO/m3.d para los reactores R1, R2 y R3 respectivamente, solo se aplicó como proceso selector metabólico a la alimentación por tandas o fases fiesta-hambruna, que no fue efectivo para el control de organismos filamentosos formando “Bulking” durante la granulación; por lo que, en la segunda etapa se decidió aplicar adicionalmente una fase de reacción anaeróbica previa a la aireación (de 1 a 7) como selector, con CV de 2.40, 2.00 y 1.60 Kg DQO/m3.d para los reactores R1, R2 y R3 respectivamente, logrando gránulos de Ø1 mm de diámetro con estructura compacta y forma regular en el reactor R1 (RIV 60%), con un tiempo de sedimentación de 1.65 minutos, IVL de 109.86 L/Kg y SSV de 3.368 mg/L a las 51 tandas operativas. De acuerdo a los resultados se comprobó que la granulación se favorece con mayores cargas orgánicas de alimentación CV y elevadas realciones de intercambio de volumen RIV, que el crecimiento de organismos filamentosos puede ser controlado por la utilización de una fase de reacción anaeróbica y que la reducción de los tiempos de sedimentación necesarios para una buena granulación aeróbica pueden ser aplicados bajo una expresión exponencial, proponiendo 65 días para lograr gránulos aeróbicos con 1.50 minutos de tiempo de sedimentación. La velocidad de sedimentación finalmente alcanzada por el granulo fue de 9.432 cm/min (tres veces superior a un lodo floculento) y el consumo de materia orgánica de los reactores evolucionó positivamente durante toda la prueba hasta eficiencias de 95% en remoción de DQO siguiendo una reacción de primer orden para dicho consumo de sustrato.

Our country has been applying new environmental regulations that propose a challenge for economic activities, especially for the industrial sector which is forced to give a correct provision to its solid and liquid waste. Manufacturing plants which are settled in cities and suburban areas lack with space and budget for the implementation and maintenance of wastewater treatment systems, for this reason it is important to conduct research on viable technology under these conditions. The aerobic granular sludge (LGA) technology for wastewater treatment has been investigated in developed countries due to its wide advantages over conventional biological treatment methods, advantages such as space reduction, removal efficiency of organic matter and nutrients and simple operation and maintenance. It is a suitable alternative for solving the current problems described for the industrial sector and its liquid waste. This thesis define a methodology for aerobic granular sludge development using an activated sludge inoculum, which is used to treat industrial wastewater from organic production of anthocyanin dye native sweet potato; this methodology also controls the operational parameters in three (03) SBR reactors working in parallel in 24 hour cycles biological reaction. It has been applied different volumetric organic loads (CV) in the reactors from the variation in the percentage of volume extracted as effluent (% VER), assigning values of VER to each reactor, 60% for the reactor R1, 50% for the reactor R2 and 40% reactor for R3. The intensity of aeration was kept constant at 3.72 cm/s and the retention time of solid (or cell) TRS was 20 days to promote the generation of extra-cellular polymers (EPS) base for microbial aggregation. Selectors processes of microorganisms have been implemented such as batch feeding strategy, short filling times and reduced settling times, the last one is consider the main parameter during aerobic granulation. The granulation methodology consists of successive reduction of sedimentation time during each operating round of the SBR reactors using a mathematical expression to guide the process. This methodology aims to reduce the settling time of 30 minutes characteristic of flocculent sludge to 5 minutes estimates for granular sludge. The proper settling property of the new sludge formed is controlled using the sludge volumetric index (SVI) in the settling time proposed for each batch. This thesis has needed two stages of research, due to during the first stage with CV of 1.80, 1.50 and 1.20 Kg COD/m3.d for reactors R1, R2 and R3 respectively, it has been applied only one metabolic selector process of batch feeding or feast-famine phases, which was not effective for control of filamentous organisms forming "Bulking" during granulation. Thus during the second stage it was decided to apply an additional selector process which include a phase of anaerobic reaction prior to aeration (1 to 7), This stage with CV of 2.40, 2.00 and 1.60 Kg COD/m3.d for reactors R1, R2 and R3 respectively. In the reactor R1 (VER 60%) it was obtained granules of Ø1mm diameter with compact structure and regular form at 51 operating batch wise, this granules have settling time of 1.65 minutes, SVI of 109.86 L/Kg and SSV 3.368 mg/L. According to the results it was found that granulation is promoted with greater organic loads CV and high proportions of volume exchange ratio VER. The growth of filamentous organisms can be controlled by using a phase anaerobic reaction and the necessary reduction of settling time to get a good aerobic granulation can be applied under an exponential expression. Sixty five days was necessary to achieve aerobic granules with 1.50 minutes of settling time. The final sedimentation rate reached by the granule was 9.432 cm / min (three times a flocculent sludge sedimentation rate). During the investigation the consumption of organic matter of the reactors developed efficiencies of 95% in COD removal, it follows a first order reaction to substrate consumption.