Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Selection of inocula conditioning methodologies for the anaerobic digestion of food waste

ABSTRACT Food waste (FW) has a high potential for use in biological processes such as anaerobic digestion (AD), especially due to its high content of biodegradable organic matter. To inoculate the reactors, sludge is usually used. The sludge should ideally have good sedimentation and specific methanogenic activity (SMA), which is typical for granular sludge. However, in a Latin American context, the most available and accessible sludges are flocculants with low sedimentation and SMA. Applying technological surveillance between 1975 and 2017, using multicriteria analysis techniques such as analytical hierarchy process (AHP), and consulting with international and national experts, we observed that there were few studies, compared to published studies on the substrates that focused on improving inoculum quality through conditioning to improve its characteristics and maximize methane production. The inoculum-conditioning methodologies identified were grouped into five categories, being the main strategy the addition of nutrients followed by anaerobic digestion with an easily degradable substrate. However, extension of technological surveillance is recommended by incorporating the results published from significant events in the field of anaerobic digestion, such as the Latin American Workshop and Symposium on Anaerobic Digestion and the World Congress on Anaerobic Digestion.

RESUMEN Los residuos de alimentos (RA) presentan un alto potencial de aprovechamiento mediante procesos biológicos como la digestión anaerobia (DA), especialmente por su alto contenido de materia orgánica biodegradable. Para inocular los reactores, en general se emplean lodos que deben presentar buena sedimentabilidad y actividad metanogénica específica (AME), típico en lodos granulares. Sin embargo, los de mayor disponibilidad y accesibilidad en el contexto latinoamericano, son lodos floculentos de baja sedimentabilidad y AME. Aplicando vigilancia tecnológica desde 1975 hasta 2017, se evidenció escasa literatura enfocada a mejorar la calidad del inóculo mediante acondicionamientos para mejorar sus características y maximizar la producción de metano, en comparación con los estudios publicados sobre el sustrato. Se identificaron diferentes metodologías de acondicionamiento de inóculos, las cuales se agruparon en cinco categorías y mediante la aplicación de técnicas de análisis multicriterio como el proceso de análisis jerárquico (AHP) y con consulta a expertos internacionales y nacionales. Se identificaron las técnicas más utilizadas, siendo las principales, la adición de nutrientes seguida por la digestión anaerobia con un sustrato de fácil degradación. Sin embargo, se recomienda complementar la vigilancia tecnológica, incorporando los resultados publicados en eventos de gran importancia en el campo de la DA como el Seminario-Taller latinoamericano y el Congreso Mundial de Digestión Anaerobia.

Model simulation of heavy metals in river systems: case study the Negro river basin

ABSTRACT This work describes a water quality model for heavy metals simulation in river systems. The proposed strategy comprises an 1D modeling approach with an ADZ-QUASAR extension to represent the behavior of heavy metals. This methodology seeks to strengthen their predictive capability based on the integration of variables which play an important role in the adsorption and desorption of these particles. The methodology was implemented in a reach of the Negro river (eastern side of Antioquia, Colombia), using Chromium, Copper and Nickel as heavy metals, because these are the heavy metals representative of the currents in the study area. Results are showing, with some degree of uncertainty, the capacity of the methodology to predict the behavior of environmental interesting substances, which makes it an important management tool.

RESUMEN Este trabajo describe la aplicación de un modelo de calidad de agua para la simulación de metales pesados en sistemas fluviales. La estrategia propuesta incluye un enfoque de modelación 1D con la extensión del modelo QUASAR-ADZ para la representación del comportamiento de los metales pesados, buscando fortalecer su capacidad predictiva a partir de la integración de variables que juegan un papel importante en la adsorción y desorción de estos compuestos por las partículas en solución. La metodología se implementó en un tramo del río Negro (oriente de Antioquia, Colombia), utilizando cromo, cobre y níquel como metales pesados, debido a que son estos los metales pesados representativos de las corrientes en el área de estudio. En los resultados se muestra la capacidad de predicción de la metodología del comportamiento de sustancias de interés ambiental con cierto grado de incertidumbre, lo que la constituye en una herramienta de gestión importante.

Effect of alkaline pre-treatment on the anaerobic biodegradability of coffee husk

ABSTRACT The present paper deals with the mono-digestion of coffee husk during the operation of batch reactors and semi-continuous stirred tank reactor (S-CSTR) using both pre-treated residual at 3% Ca(OH)2 and without pre-treatment. The semi-continuous operation was carried out in 4 stages at different organic loading rate (OLR, [gVS L-1 d-1]) and hydraulic retention time (HRT, [d]) (OLR:HRT) ratios (0.1:90, 0.2:90, 0.2:45 and 0.2:30). As a result of the pre-treatment, up to 223% of the organic matter solubilisation was obtained. However, pre-treatment did not provide better results in biodegradability, observing a negative trend in methane yield when operating in S-CSTR, due to the accumulation of compounds from the fractionation of the lignin as is the case of polyphenols. The operation was further developed using the residual without pre-treatment. The highest methane yield was obtained at 45:0.2 when using the residual without pre-treatment being with 277 mLCH4 gVS -1, for a methane productivity of 1.1 L L-1 d-1. When implementing the 30:0.2 ratio, a biomass washout was observed in the system, so it is recommended to operate at low OLR and high HRT when treating solid coffee wastes.

RESUMEN La biodegradabilidad de la cáscara del café durante la operación de reactores en discontinuo y en tanque agitado semi-continuo, se evaluó empleando el residual pre-tratado con Ca(OH)2 al 3% y sin pre-tratar. La operación en régimen semi-continuo se llevó a cabo en 4 etapas empleando relaciones de carga orgánica volumétrica (COV, [gSV L-1 d-1]) y de tiempo de retención hidráulico (TRH, [d]) (COV:TRH) de 0,1:90; 0,2:90; 0,2:45 y 0,2:30. Como resultado del pre-tratamiento se obtiene hasta 223% de solubilización de la materia orgánica. Sin embargo, el pre-tratamiento no brindó mejores resultados en la biodegradabilidad, observándose una tendencia negativa en el rendimiento de metano en la operación en semi-continuo, debido a la acumulación de compuestos resultantes del fraccionamiento de la lignina como es el caso de polifenoles, por lo que se decidió continuar empleando el residual sin pre-tratar. El mayor rendimiento de metano se obtuvo a 45:0,2 cuando se utilizó el residual sin pre-tratar obteniéndose 277 mLCH4 gSV -1, para una productividad de metano de 1,1 L L-1 d-1. Al implementar la condición de 0,2: 30 se observó un lavado de biomasa en el sistema por lo que se recomienda operar a bajas COV y elevados TRH al tratar residuales sólidos cafetaleros.

Effect of the stirring speed on the struvite formation using the centrate from a WWTP

ABSTRACT The formation of struvite (MgNH4PO4·6H2O) for nutrient recovery in wastewater treatment plants has been widely investigated; however, little attention has been paid to the effect of stirring speeds on the resulting particle size, which could affect its agronomic value as a slow-release fertilizer. In this study, struvite formation from the centrate of sewage digestate was performed under six stirring speeds (0, 100, 200, 300, 400, 500 rpm). The resulting struvite crystals were characterised using X-ray diffraction and scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy. The average particle size of struvite crystals increased from 55 µm at 0 rpm to 127 µm at 100 rpm and 128 μm at 200 rpm. Further increments in stirring speeds resulted in smaller crystal sizes. These results indicated that the largest particle size can be obtained at stirring speeds ranging from 100 to 200 rpm, equivalent to a velocity gradient between 79 and 188 s-1, as there was no statistically significant difference between mean values (t-test, p<0.05). The optimum stirring speed range reported herein can be used to set operational conditions for struvite crystallisation with the benefit of producing large crystals and reducing energy consumption in stirring tanks.

RESUMEN La formación de estruvita (MgNH4PO4·6H2O) para la recuperación de nutrientes en plantas de tratamiento de aguas residuales ha sido ampliamente investigada; sin embargo, se ha prestado poca atención al efecto de las velocidades de agitación en el tamaño de partícula resultante, lo que podría afectar su valor agronómico como fertilizante de liberación lenta. En este estudio, la formación de estruvita del centrado se realizó a seis velocidades de agitación (0, 100, 200, 300, 400, 500 rpm). Los cristales de estruvita resultantes se caracterizaron mediante difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido con espectroscopia de rayos X con dispersión de energía. El tamaño de partícula promedio de los cristales de estruvita aumentó de 55 µm a 0 rpm a 127 µm a 100 rpm y 128 μm a 200 rpm. Incrementos adicionales en las velocidades de agitación resultaron en tamaños de cristales más pequeños. Estos resultados indicaron que el mayor tamaño de partícula se puede obtener a velocidades de agitación entre 100-200 rpm, equivalente a un gradiente de velocidad entre 79 y 188 s-1, ya que no hubo diferencias estadísticamente significativas entre los valores medios (prueba t, p < 0.05). El rango óptimo de velocidad de agitación descrito aquí se puede usar para establecer condiciones operativas para la cristalización de estruvita con el beneficio de producir cristales grandes y reducir el consumo de energía en tanques agitados.

Effects of press- mud pre-treatment on the feasibility of biogas production

ABSTRACT In this study, an energetic, economic and environmental feasibility for the anaerobic digestion (AD) of press mud previously pre-treated with liquid hot water (LHW) or thermo-alkaline (TA) methods were assessed. A typical Cuban sugar mill was selected as Case Study. The sugar mill has a potential capacity to process 4,600 t d-1 of sugar cane and operates 130 days per year. The biogas produced can be used to feed an internal combustion engine to produce electricity and heat. It was assumed that the electricity will be sold to the national electric grid and the heat recovered from the exhaust gases will be used as energy source to supply the thermal demand for press mud pre-treatments. The thermal requirements for pre-treatments (9.4 and 12.1 MWh d-1) were energy sufficient by recovering the heat from the engine exhaust. For the alternatives considered, an improvement of the environmental profile with respect to the reference scenario was obtained. The profitability of methane production also increased for alternatives considering pre-treatment. In general, the economical, energetic and environmental assessment showed the best indicators for the AD of press mud using LHW pre-treatment.

RESUMEN En este estudio se evalúa la factibilidad energética, económica y ambiental de la digestión anaerobia de la cachaza pre-tratada por agua caliente presurizada y por pre-tratamiento termo-alcalino. Una empresa azucarera típica en Cuba, con 4,600 t/d de caña molida y 130 días de operación, se seleccionó como caso de estudio. El biogás producido será usado para alimentar un motor de combustión interna para producir electricidad y calor. Se asumió que la electricidad será vendida a la red nacional y el calor que se recupera de los gases de escape del motor será usado como fuente energética para los pre-tratamientos. Los requerimientos térmicos para los pre-tratamientos permitieron cubrir el consumo de energía requerido. También una mejora ambiental y económica se obtuvo para las alternativas con pre-tratamiento. En general los mejores indicadores ambientales, económicos y energéticos se obtuvieron para la digestión anaerobia de la cachaza pre-tratada por agua caliente presurizada.

Evaluation of aerated lagoon modified with spongy support medium treating Kraft pulp mill effluent

ABSTRACT The pulp industry generates high effluent flows, which contain high chemical oxygen demand (COD), biochemical oxygen demand (BOD5), colour and ecotoxicity. This study aimed to evaluate the treatment of Kraft pulp effluent by aerated lagoon modified with sponge support media (APG). It was assessed the arrangement of the support media in the aerated lagoons in the organic load rate (OLR) of 0.2 kgCOD m-3 d-1, and after that, with OLR variation from 0.2 to 1.2 kgCOD m-3 d-1. The parameters evaluated were BOD5, COD, colour, lignin derivatives, total phenolic compounds and acute ecotoxicity in D. magna. COD and BOD5 removals were 32% and 88%, respectively, for free and confined support media in 0.2 kgCOD m-3 d-1. There was no colour or total phenolic compounds removal under these conditions. Considering the treatment in which there was a variation of the organic load rate, 1.2 kgCOD m-3 d-1 had the best performance. In this case, 50% and 75% of COD and BOD5 were removed, respectively. Removal of colour, total phenolic compounds and lignin derivatives were around 20%, 18% and 10%, respectively. The acute ecotoxicity was reduced to toxicity factor equal to 1 in all treatments. Comparing the aerated lagoon modified systems with those without the APG, it was suggested to apply spongy support in higher organic load rate than these typically used in aerated lagoons.

RESUMEN La industria de celulosa genera grandes flujos de efluentes que contienen una alta demanda química de oxígeno (DQO), demanda bioquímica de oxígeno (DBO5), color y ecotoxicidad. Este estudio tuvo como objetivo evaluar el tratamiento del efluente de celulosa Kraft en lagunas aireadas con medios de soporte de esponja (APG). Fue evaluado el arreglo de los medios de soporte en carga orgánica volumétrica de 0,2 kgDQO m-3 d-1, después de esto se estudió una variación de carga de 0,2 a 1,2 kgDQO m-3 d-1. Se evaluaron los parámetros DBO5, DQO, color, derivados de lignina, compuestos fenólicos totales y ecotoxicidad en D. magna. Las remociones de DQO y DBO5 fueron de 32% y 88%, respectivamente, para los medios de soporte libres y confinados en 0,2 kgDQO m-3 d-1. No hubo remoción del color o compuestos fenólicos totales en estas condiciones. Considerando la variación de la carga orgánica volumétrica, el mejor desempeño fue para 1,2 kgDQO m-3 d-1, donde fueron eliminados 50% y 75% de la DQO y DBO5, respectivamente. La remoción del color, compuestos fenólicos totales y derivados de lignina fueron de cerca de 20%, 18% y 10%, respectivamente. La ecotoxicidad aguda se redujo a factor de toxicidad de 1 en todos los tratamientos. Comparando los sistemas de laguna aireada sin la presencia del APG, se sugiere aplicar un soporte esponjoso en carga orgánica más alta que aquellas típicas de lagunas aireadas.

Influence of pH and the C/N ratio on the biogas production of wastewater

ABSTRACT Wastewater from institutions are considered with low strength and they may have a low C/N ratio and pH values higher than 7.0 units. In developing countries, anaerobic treatment for low strength wastewater is widely applied. However, COD removals and biogas production can be low due to inhibitions in the process. To improve the effluent quality, aerobic posttreatment has been used. The aim of this study was accessing the influence of pH and C/N ratio on methane yield of institutional wastewater, taking into account the aerobic sludge recirculation towards the anaerobic reactor. A factorial design 32 was used, evaluating different pH values: 6.9±0.1, 7.5±0.05 and 9.0±0.5; and C/N ratio: 4.9±0.2, 8.2±0.18 and 14.2±0.17. Biochemical methane (BMP) tests were performed using as inoculum a sludge with the hydrolytic, acidogenic and specific methanogenic activity of 2.79 gCOD/gVSS-d, 2.80 gCOD/gVSS-d and 0.14 gCODCH4/gVSS-d, respectively. Results indicating that with high C/N ratio, the methane yield increased. The maximum BMP was 318 L CH4/kgVSS with pH 7.5 and C/N ratio of 8.2±0.18; however, with the C/N ratio of 14.2±017 a major COD removal and methane production rate were observed.

RESUMEN Las aguas residuales de instituciones son consideradas de baja carga y pueden poseer bajas relaciones C/N y valores de pH superiores a 7.0 unidades. En países en desarrollo el tratamiento anaerobio de aguas residuales de baja carga se usa ampliamente. Sin embargo, las remociones de DQO y la producción de biogás pueden ser bajas debido a inhibiciones en el proceso. Para mejorar la calidad del efluente, el postratamiento aerobio ha sido usado. El objetivo de este estudio fue investigar la influencia del pH y la relación C/N sobre la producción de metano del agua residual de una institución educativa, teniendo en cuenta la recirculación de lodo aerobio hacia el reactor anaerobio. Se utilizó un diseño factorial 32, evaluando valores de pH de 6.9±0.1, 7.5±0.05 y 9.0±0.5 y relaciones C/N de 4.9±0.2, 8.2±0.18 y 14.2±017. Se realizaron además pruebas de potencial bioquímico de metano (PBM) utilizando como inóculo un lodo con actividad hidrólitica de 2.79 gDQO/gSSV-d, actividad acidogénica de 2.80 gDQO/gSSV-d y actividad metanogénica de 0.14 gDQOCH4/gSSV. Los resultados indicaron que con el aumento de la relación C/N, se incrementó la producción de metano. El máximo PBM fue de 318 L CH4/kgSSV con pH inicial de 7.5 y relación C/N de 8.2±0.18; sin embargo, con la relación C/N de 14.2±017 se observó mayor porcentaje de remoción de DQO y una tasa de producción máxima más alta.

Early warning system on extreme weather events for disaster risk reduction

ABSTRACT The objective of this research was to propose a strategy based on the design and implementation of an early warning system (EWS) for extreme weather events. This project had the following phases: training for municipal and regional actors, preliminary technical diagnosis of the study areas, monitoring network, and the weather forecasts using numerical models WRF and GFS. This EWS is the result of the Macro-project EWS for Climate Events in the basins of the Pamplonita River and Zulia in the North of Santander (SATC), executed by the University of Pamplona and financed by the National Risk Management Unit (UNGRD) and the German Cooperation Agency (GIZ). The research concluded that the application of a disaster risk reduction strategy through an EWS for extreme weather events is an important tool and instrument for the planning of higher risk management because it helps anticipate disasters and consequently preserve lives.

RESUMEN El objetivo de esta investigación fue proponer una estrategia basada en el diseño e implementación de un sistema de alerta temprana (SAT) para eventos climáticos extremos. Este proyecto tuvo las siguientes fases: capacitación para actores municipales y regionales, diagnóstico técnico preliminar de las áreas de estudio, red de monitoreo y pronósticos meteorológicos utilizando modelos numéricos WRF y GFS. Este SAT es el resultado del Macro-proyecto SAT para Eventos Climáticos en las cuencas del río Pamplonita y Zulia en el norte de Santander (SATC), ejecutado por la Universidad de Pamplona y financiado por la Unidad Nacional de Gestión del Riesgo (UNGRD) y La Agencia de Cooperación Alemana (GIZ). La investigación concluyó que la aplicación de una estrategia de reducción del riesgo de desastres a través de un SAT para eventos climáticos extremos es una herramienta e instrumento importante para la planificación de la gestión del riesgo porque ayuda a anticipar desastres y, en consecuencia, a preservar vidas.

Cadmium (Cd) tolerance evaluation of three strains of microalgae of the genus Ankistrodesmus , C hlorella and Scenedesmus

ABSTRACT In order to assess tolerance to cadmium (Cd) for three Colombian native strains of microalgae belonging to the genus Ankistrodesmus, Chlorella and Scenedesmus the growth kinetics, the concentration of pigments, the total dry weight in media contaminated with cadmium in ranges between 0.0 - 15.0 mg L-1 , and the median lethal concentration (LC50) were determined. Additionally, for the more tolerant strains, Scenedesmus sp. and Chlorella sp., removal of Cd in media enriched with 1.0 and 7.0 mg L-1 contaminant was quantified. The study found that Scenedesmus sp was the strain that had the highest tolerance to cadmium generating 36.15 µg mL-1 of dry biomass at 3.5 mg L-1 of Cd and LC50 20.89 mg L-1 Cd after 12 days of culture. The highest percentage of removal of cadmium was 32% for Scenedesmus sp. Chlorella sp. presented good removal of Cd in cultures with low levels of metal and Ankistrodesmus sp. was the microalgae with less tolerance.

RESUMEN Con el objetivo de evaluar la tolerancia al cadmio (Cd) de tres cepas de microalgas de los géneros Ankistrodesmus, Chlorella y Scenedesmus se determinó la cinética de crecimiento, concentración de pigmentos y peso seco total en medios contaminados con 0.0 - 15.0 mg L-1 de Cd y se calculó la concentración letal media (CL50). Para las cepas Scenedesmus sp. y Chlorella sp., más tolerantes, se cuantificó la remoción de Cd en medios con 1.0 y 7.0 mg L-1 del contaminante. Siendo el mayor porcentaje de remoción de cadmio el 32% para Scenedesmus sp. Chlorella sp. presentó buena remoción en cultivos con niveles bajos del metal en el medio y Ankistrodesmus sp. fue la microalga con menor tolerancia al cadmio. Así mismo, se encontró que Scenedesmus sp. presentó la mayor tolerancia al cadmio generando 36.15 µg mL-1 de biomasa seca a 3.5 mg L-1 de Cd y una CL50 de 20.89 mg L-1 Cd.

Evaluation of methylparaben removal and microbial behavior using a SBR system

ABSTRACT We evaluated the variation in microbial populations and the behavior of an SBR system in the removal of methylparaben (MePB). The experimentation was carried out for 14 weeks, in three operational stages as follows: stabilization (Stage I), (Stage II = 300 μgMePB/L and Stage III = 600 μgMePB/L). The variation of the microorganisms was analyzed over the experimentation time along with the contact with the pollutant to be degraded, and the removal percentage of COD and MePB, with results of 88±5,5% and 92±7,7% respectively. Kinetic of MePB removal was evaluated to obtain the rate constant of biological degradation, Kbiol. Using these kinetic results, the effect of different concentrations of MePB and biomass on biodegradation behavior was evaluated. Kbiol (LgSS-1d-1) values were obtained of 42.8 and 79 respectively; and 472±38.0 µgMePB/L, at biomass contents of 1466.7 and 2666.7 mgSSV/L, where Kbiol (LgSS-1d-1) values were obtained of 11.0 and 32.6 respectively. The variation of the microbial populations were analyzed using DGGE. The results obtained indicated that the populations presented similar characteristics between the stages. However, for the biomass samples of Stage I and stage III, significant differences were identified in the composition of microbial populations. Nonetheless, this did not affect the removal of MePB and the diversity conditions that characterize an aerobic system.

RESUMEN Se evaluó la variación en las poblaciones microbianas y el comportamiento de un sistema SBR en la eliminación de metilparabeno (MePB). La experimentación se llevó a cabo en tres etapas: (Etapa I: aclimatacion), (Etapa II = 300 μgMePB / L y Etapa III = 600 μgMePB / L). La variación de los microorganismos se analizó durante el tiempo de experimentación junto con el contacto con MePB y el porcentaje de eliminación de DQO, con resultados de 88 ± 5,5% y 92 ± 7,7% respectivamente. Se evaluó la eliminación cinética de MePB para obtener la constante de velocidad de degradación biológica, Kbiol. Usando estos resultados cinéticos, se evaluó el efecto de diferentes concentraciones de MePB y biomasa en el comportamiento de la biodegradación. Se obtuvieron valores de Kbiol (LgSS-1d-1) de 42.8 y 79 respectivamente; y 472 ± 38.0 µgMePB / L, a contenidos de biomasa de 1466.7 y 2666.7 mgSSV / L, donde se obtuvieron valores de Kbiol (LgSS-1d-1) de 11.0 y 32.6 respectivamente. La variación de las poblaciones microbianas se analizó utilizando DGGE. Los resultados indicaron que las poblaciones presentaron características similares entre las etapas, pero para las muestras de biomasa de Etapa I y Etapa III, se identificaron diferencias significativas en la composición de las poblaciones microbianas. No obstante, esto no afectó la eliminación de MePB y las condiciones de diversidad que caracterizan a un sistema aeróbico.