ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN / RESEARCH ARTICLE

Tratamiento de agua residual doméstica sin clarificación primaria en un sistema de lodos activados en la modalidad de estabilización por contacto

Domestic wastewater treatment without primary clarification by contact stabilization activated sludge process

Tatiana Mañunga* Jenny A. Rodríguez-Victoria** Patricia Torres-Lozada***
Universidad del Valle (Colombia)

* Ingeniera Sanitaria, Universidad del Valle (Colombia). M.Sc. y estudiante de Doctorado en Ingeniería, Universidad del Valle. tati.anam@yahoo.com.

** Ingeniera Sanitaria, Universidad del Valle (Colombia). Profesora Asociada, Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle. M.Sc. y Dra. Universidad São Paulo, São Paulo, Brasil. jenny.rodriguez@correounivalle.edu.co.

*** Ingeniera Sanitaria, Universidad del Valle (Colombia). Profesora Titular, Facultad de Ingeniería. Universidad del Valle. M.Sc. y Ph.D. Universidad São Paulo, São Paulo, Brasil. patricia.torres@correounivalle.edu.co.

Correspondencia: Tatiana Mañunga. Universidad del Valle sede Meléndez, Carrera 100 N°. 13-00, Edificio 336, Oficina 1020, Cali (Colombia). Tel.: (032) 321 2183.

Fecha de recepción: 10 de abril de 2012
Fecha de aceptación: 23 de agosto de 2012

Resumen

El sistema de lodos activados en la modalidad de estabilización por contacto (slaec) es una tecnología de tipo biológico ampliamente utilizada para el tratamiento del agua residual, la cual generalmente es precedida por una clarificación primaria (CP). En este trabajo se evaluó el efecto de la eliminación de la CP sobre el desempeño de un slaec a escala piloto, para el tratamiento de agua residual doméstica, analizando el comportamiento de los sólidos suspendidos volátiles en el licor mixto (ssvlm), la concentración de DQO, dbo₅ y sst. Adicionalmente, el sistema fue operado con CP para comparar su desempeño con el observado cuando se eliminó la CP. Los resultados indicaron que la eliminación de la CP incrementó en un 44% la concentración de materia orgánica biodegradable afluente al sistema, y aumentó la vulnerabilidad del slaec sobre los efectos desfavorables que generan la presencia de grasas, aceites (G/A) y surfactantes en el agua residual, los cuales se tradujeron en la formación de una capa de lodo flotante en el sedimentador secundario, que afectó el desempeño de esta unidad y la calidad del lodo. No obstante, en las dos configuraciones evaluadas, el slaec alcanzó eficiencias de reducción de DQO, dbo₅ y sst superiores al 76%.

Palabras claves: Agua residual doméstica, clarificación primaria, estabilización por contacto, lodos activados

Abstract

The contact stabilization activated sludge process (csasp) is amply applied in full scale plants treating domestic sewage, it is usually preceded by a primary clarifier. A pilot scale csasp without and with primary clarification was evaluated to investigate the effect of primary clarification elimination on system performance. The system performance was monitored by measuring the mlvss, cOD, bOD and tss. The results showed that elimination of primary clarification increased the biodegradable organic matter influent by 44% but fats, oils and surfactants entrance were observed. Fats and oils formed a floating sludge layer in the surface secondary clarifier that affect its performance and sludge quality. However, cOD, bOD5 and tss removal efficiency was higher than 76% for in both csasp without and with primary clarification.

Keywords: contact stabilization, primary clarification, sludge activated, wastewater

1. INTRODUCCIÓN

Existen diferentes configuraciones desarrolladas a partir del modelo convencional, dentro de las cuales se encuentra la modalidad de "Estabilización por contacto", que se destaca por su capacidad para reducir en un corto periodo los contaminantes del agua residual [1], [2]. La investigación realizada por Ullrich y Smith [3] impulsó el desarrollo de esta modalidad, que se caracteriza por la utilización de dos tanques de aireación (reactor de contacto -RC y reactor de estabilización - RE) separados por un SS. El RC tiene como función favorecer la rápida adsorción de la materia orgánica en el floc biológico.

La materia orgánica adsorbida en el floc biológico (previamente separado en el SS) es conducida al RE, donde ocurre su degradación por los microorganismos presentes en el floc biológico. En la figura 1 se presenta un esquema general de esta configuración.

Los principales parámetros de operación del SLAEC están relacionados con el tiempo de retención celular (TRC), los SSVLM y la relación A/M. El TRC define el tipo de microorganismos que se establece en el sistema; valores entre 4 y 8 d favorecen la reducción de materia orgánica carbonacea [4], [5] principalmente a través de microorganismos heterótrofos [2], mientras que valores entre 6 y 10 d benefician la nitrificación [4], [6], dando lugar a la formación de microorganismos autótrofos [2]. Los SSVLM indican la biomasa activa en el sistema [7]; concentraciones entre 1.000 y 4.000 mg.L^-1 son sugeridas para el RC y entre 4.000 y 10.000 mg.L^-1 para el RE [2], [4]. La relación A/M representa la cantidad de sustrato disponible por unidad de microorganismos; su valor se encuentra relacionado con la tasa de utilización de sustrato, por lo que ha sido definida como un parámetro nutricional inversamente proporcional al TRC [4], [8]. Los valores típicos para el SLAEC varían entre 0.1 y 0.6 kgDBO₅.(kg SSVLM.d)^-1) [2], [9].

En un SLAEC, la proporción entre la biomasa presente en el RC frente a la biomasa total del sistema es definida a través del factor de distribución de lodos (Factor a); esta variable se puede relacionar con la capacidad de bio-adsorción del lodo y la calidad del efluente secundario. Valores entre entre 0.10 y 0.30 son recomendados para que en el SLAEC los procesos de adsorción y transformación de materia orgánica tengan lugar en el RC y RE respectivamente [10] - [12].

El tratamiento biológico del agua residual sucede, en gran medida, gracias a la capacidad que tiene el floc biológico para adsorber materia orgánica de tipo soluble y almacenar materia orgánica de tipo particulada; esta es una de las razones por las cuales el SLAEC podría ser operado sin una etapa previa de clarificación primaria [13] - [15].

Prescindir de la CP en el tratamiento del agua residual es una alternativa que ayuda a incrementar la carga orgánica afluente al sistema biológico. Puig et al. [16] mostraron a escala real que el incremento de la carga orgánica, que se produce por la ausencia de la CP, no deteriora la calidad del efluente. Por otro lado, Sarioglu et al. [10] sugieren que la eficiencia del SLAEC se incrementa en la medida que aumenta la fracción de materia orgánica particulada en el agua residual, por lo que eliminar la CP podría ser particularmente útil cuando el agua residual presenta bajas concentraciones de materia orgánica.

Los sistemas de tratamiento de agua residual doméstica que puedan eliminar la CP, resultan interesantes para ciudades y municipios intermedios, donde la disponibilidad de área para el tratamiento del agua residual puede ser una condición limitante en la selección de tecnología. Adicionalmente, eliminar la CP puede beneficiar la relación costo/eficiencia del tratamiento del agua residual. En este trabajo se evaluó y comparó el desempeño de un SLAEC, con y sin CP, en el tratamiento del agua residual doméstica bajo similares condiciones operacionales, con el objetivo de identificar el efecto que puede tener sobre la operación, desempeño y calidad del lodo, la eliminación de la clarificación primaria.

2. METODOLOGÍA

La investigación se dividió en dos etapas: en la primera, el SLAEC fue operado sin clarificación primaria (etapa sin CP), es decir que agua residual desarenada ingresó directamente al RC. En la segunda etapa se incluyó la clarificación primaria (etapa con CP). Un esquema de la configuración del sistema en cada etapa se presenta en la figura 2.

Para la alimentación del sistema, se empleó agua residual doméstica afluente a la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de la Ciudad de Cali (Colombia) (PTAR Canaveralejo - PTAR-C). Previo al ingreso a la planta piloto, el agua residual pasó a través de un tratamiento preliminar constituido por rejillas gruesas, rejillas finas y desarenador. Las características fisicoquímicas del agua residual se presentan en la tabla 1.

El sistema fue operado en flujo continuo durante 114 d en la etapa sin CP y durante 66 d en la etapa con CP; las condiciones operacionales para las dos etapas fueron seleccionadas teniendo en cuenta los resultados de Vásquez et al. [17], quienes establecieron que para este tipo de agua residual, el mejor desempeño del SLAEC en términos de la eficiencia de reducción de DQO, DBO₅ y SST se obtiene con: TRC 6.0 d, caudal de recirculación de lodos 0.29 L.s^-1 (Recirculación: 40%), tiempo de retención hidráulico (TRH) en RC 0.84 h, TRH en RE 4.11 h, TRH en el SS 2.09 h, oxígeno disuelto (OD) en el RC y RE de 2.5 mg O₂.L-¹. En la etapa con CP, el TRH en el CP fue 1.39 h.

Para analizar el desempeño de los sistemas, se recolectaron muestras puntuales de agua residual en el afluente y efluente. En la etapa sin CP, el afluente al sistema fue agua residual desarenada, mientras que en la etapa con CP, lo fue el efluente del clarificador primario. Así mismo, se tomaron muestras del licor mixto presente en el RC y RE.

Se realizaron análisis de DQO, DBO₅ y SST en el afluente y efluente. En el licor mixto se determinó la concentración de SSV. Todos los análisis fueron realizados de acuerdo con las recomendaciones de los Métodos Standard [18].

El desempeño de los sistemas se comparó estadísticamente a través del TRC, SSVLM en el RC y RE, relación A/M y Factor a. Con estas variables se aplicó una prueba t de 2 muestras de comparación de medias; las diferencias observadas fueron consideradas estadísticamente significativas en un intervalo de confianza del 95% (p<0.05). Adicionalmente, la eficiencia del sistema fue analizada a través de la reducción de DQO, DBO₅ y SST. Para el análisis estadístico se utilizó el software MINITAB 16 ® (versión de prueba).

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

De acuerdo con la información contenida en la tabla 1, la composición del agua residual afluente al sistema biológico en la etapa sin CP correspondió a un agua residual entre débil y media concentración, según la clasificación propuesta por Tchobanoglus et al. [11]. En la etapa con CP, las concentraciones de DQO, DBO₅ y SST disminuyeron con la inclusión de la CP, por lo que el afluente al RC presentó características semejantes a un agua residual de débil concentración.

Al comparar los valores promedio de DQO, DBO₅ y SST de las dos modalidades de operación del SLAEC, se observa que la ausencia de la CP incrementó su concentración en porcentajes cercanos al 17%, 44% y 19% respectivamente, lo que denota que el principal aporte de la ausencia de la CP fue el incremento de la materia orgánica biodegradable en el afluente al RC. Un resultado similar fue esperado por Puig et al. [16], quienes plantearon el by-pass del clarificador primario como estrategia para incrementar la carga orgánica biodegradable en un sistema de tratamiento para la reducción de nutrientes.

Evaluación de las variables operacionales

El TRC, la biomasa determinada a través de los SSVLM y la relación A/M son las principales variables operacionales relacionadas con el desempeño del SLAEC, así como el Factor a que define la relación entre los SSVLM del RC y SSVLM del RE. El comportamiento de estas variables operacionales se presenta en la tabla 2 y en la figura 3.

Tiempo de retención celular (TRC)

El control del TRC, a través de la purga diaria de lodo desde el SS, resultó en un valor promedio de 6.0 d en la etapa sin CP y 5.3 d en la etapa con CP. Estadísticamente, no se observaron diferencias significativas entre estos valores (p>0.05); la similitud en el comportamiento de esta variable sugiere que los procesos de transformación de materia orgánica se realizaron en ambientes similares, ya que el TRC define ampliamente la ecología del sistema.

Desde una perspectiva bioquímica, autores como Grady et al. [4] indican que en sistemas aerobios con TRC entre 2 y 6 d se promueve principalmente la reducción de materia orgánica (soluble y particulada) y procesos de floculación, por lo que se argumenta que en los sistemas evaluados se fomentaron las condiciones necesarias para reducir principalmente materia orgánica carbonacea.

Las concentraciones promedio de SSVLM en el RC y RE durante la etapa sin CP fueron 1277 y 2819 mg.L^-1, respectivamente; mientras que en la etapa con CP fueron 1284 y 3500 mg.L^-1, respectivamente. En los dos casos los valores se acercaron a los mínimos recomendados por Ramalho et al. [1] y Rittman y McCarty [2] para esta modalidad de lodos activados. Estadísticamente, no se observaron diferencias significativas (p>0.05) entre la concentración promedio de SSVLM en el RC de la etapa sin CP y etapa con CP, lo cual indicó que la cantidad de biomasa activa disponible para los procesos de adsorción y almacenamiento que tienen lugar en este reactor fue similar en las dos etapas evaluadas.

Durante la etapa sin CP, la capacidad de adsorción del floc biológico probablemente fue usada en mayor proporción, ya que la ausencia de la CP incrementó la cantidad de sustrato biodegradable; sin embargo, no fue necesaria una mayor cantidad de biomasa para absorber la sobrecarga orgánica comparada con la etapa con CP.

Con respecto a la concentración de SSVLM en el RE, se observaron diferencias significativas entre la etapa sin CP y la etapa con CP (p<0.05), las cuales fueron atribuidas a los procesos de compactación y adensamiento del lodo que tienen lugar en el SS, una vez que la eficiencia de estos procesos define la concentración de SSVLM en el lodo recirculado hacia el RE [6]. Con la inclusión de la CP la concentración de SSVLM en el RE se incrementó en un porcentaje igual al 19%. Este comportamiento contradice lo reportado por Wilén et al. [19], quienes señalan que eliminar la CP incrementa la concentración de SSVLM en el RE como resultado de la presencia de sólidos sedimentables, que en ausencia de la CP hacen parte del licor mixto que es conducido hasta el SS.

Una desventaja de eliminar la CP, tal como lo señala Hernández [20], es la pérdida de una barrera de control. Ullrich y Smith [21] advierten que eliminar la CP incrementa el ingreso de G/A y surfactantes que pueden alterar los procesos de compactación y adensamiento del lodo. Para el sistema evaluado, la eliminación de la CP pudo representar una pérdida de la barrera de control sobre la calidad del agua residual afluente al RC, favoreciendo la presencia de G/A y surfactantes que afectó la compactación del lodo en el SS, lo cual fue confirmado a través de la disminución en la concentración de SSVLM en el lodo recirculado hacia el RE.

Relación A/M

La relación A/M presentó en la etapa sin CP y con CP valores promedio de 0.7 kg DBO₅ -(kg SSVLM d)^-1 y 0.4 kg DBO₅.(kg SSVLM.d)^-1, respectivamente. Los valores reportados fueron superiores al mínimo (0.2 kg DBO₅.(kg SSVLM.d)^-1) sugerido por [2], [8] y [9] para evitar condiciones de limitación de sustrato. La ausencia de la CP incrementó en un 57% la cantidad de materia orgánica aplicada al sistema, comparada con la aplicada en la etapa con CP donde ocurre la decantación de partículas en el clarificador primario que produce una disminución de la materia orgánica biodegradable afluente al RC.

Aunque Mendoça [22] sugiere que para evitar el crecimiento de microorganismos filamentosos el valor de la relación A/M no debe sobrepasar 0.6 kg DBO₅.(kg SSVLM.d)^-1, el desempeño del sistema no fue alterado con una relación A/M de 0.7 kg DBO₅.(kg SSVLM.d)^-1.

Por otro lado, Vásquez et al. [17] sugieren que valores hasta de 0.89 kg DBO₅. (kg SSVLM.d)^-1 permiten un mejor uso de la capacidad de bioadsorción del floc biológico en el SLAEC, por lo que se considera que la relación A/M que fue promovida en el sistema durante la etapa sin CP, probablemente permitió una mayor disponibilidad de materia orgánica para el proceso de adsorción en el RC, es decir que eliminar la CP condujo a un mejor aprovechamiento de la capacidad de adsorción sin generar condiciones de exceso de sustrato.

Factor a

Por otro lado, esta distribución de sólidos promovió la separación física de los mecanismos de transformación y aprovechamiento de la materia orgánica; una menor concentración de SSVLM en el RC favoreció la adsorción física de materia orgánica y, por el contrario, en el RE una mayor concentración de SSVLM fomentó el aprovechamiento y degradación del sustrato. De acuerdo con Sarioglu et al. [10], este comportamiento es el esperado en un SLAEC. Adicionalmente, concentrar la mayor parte de la biomasa en el RE permite recuperar rápidamente la estabilidad del sistema cuando suceden eventos que afectan su desempeño. Esta condición fue particularmente favorable en la etapa sin CP, durante la cual se incrementó la presencia de G/A y surfactantes en el agua residual afluente al RC, los cuales afectan negativamente la ecología del sistema, y traen como consecuencia la ineficiencia del tratamiento.

Reducción de carga orgánica

La evaluación del desempeño a través del seguimiento de la reducción de carga orgánica mostró que eliminar la CP no generó diferencias significativas en la eficiencia del los sistemas, tal como se ilustra en la figura 4.

En la etapa sin CP, se alcanzaron eficiencias en la reducción de carga de DQO, DBO₅ y SST del 78%, 80% y 80% respectivamente, las cuales son comparables con otros sistemas sin CP como los descritos por Puig et al. [16] y Bolzonella et al. [23]. En la etapa con CP, las eficiencias fueron del 76%, 80% y 80% respectivamente, resultados similares a los descritos por Vásquez et al. [17] para un SLAEC con CP.

Durante la etapa sin CP, el incremento de la cantidad de materia orgánica biodegradable fue adsorbido y transformado eficientemente por el sistema, y el material no biodegradable fue retirado a través del lodo de purga en el SS. Estas afirmaciones se sustentan a través de la calidad del efluente secundario, el cual en los dos casos (con y sin CP) presentó valores de concentraciones de DQO, DBO₅ y SST inferiores a 40 mg.L^-1, 35 mg.L^-1 y 20 mg.L^-1 respectivamente. Un resultado similar fue descrito por Puig et al. [16], quienes afirman que eliminar la CP no deteriora la calidad del efluente ni altera las eficiencias de reducción de nutrientes.

4. CONCLUSIONES

Las eficiencias alcanzadas en la reducción de carga de DQO, DBO₅ y SST (76, 80 y 80% respectivamente) en las etapas con y sin CP no presentaron diferencias significativas, lo cual indica que la eliminación de la CP no tiene efecto sobre el desempeño del sistema en términos de eliminación de carga contaminante.

La pérdida de una barrera de control sobre la calidad del agua residual afluente al RC durante la etapa sin CP, pudo ser parcialmente asumida por el sistema gracias a la distribución de sólidos (Factor a: 0.18±0.06); sin embargo, debe tenerse precaución con la presencia de G/A y surfactantes en el agua residual afluente, ya que se observó un deterioro en el desempeño del SS, traducido en flotación de lodo. Los efectos adversos observados permitieron comprobar los beneficios que ofrece la CP, no medibles a través de las eficiencias de eliminación de contaminantes, y que están relacionados con el efecto amortiguador que ejerce esta unidad ante las variaciones en la composición y concentración del agua residual.

Agradecimientos

Los autores expresan su agradecimiento a la Universidad del Valle y a EMCALI EICE ESP por el apoyo prestado para la realización de esta investigación.

REFERENCIAS

[1] R. S. Ramalho, D. J. Beltrán y F. L. Soria, Tratamiento de aguas residuales. Barcelona (España): Reverté, 1996, pp. 419-425.         [ Links ]

[2] B. E. Rittman y P. L. McCarty, Biotecnología del medio ambiente: Principios y aplicaciones. Madrid (España): McGraw-Hill, 2001, pp. 299-370.         [ Links ]

[3] A. H. Ullrich and M. W. Smith, "The biosorption process of sewage and waste treatment," Sewage and Industrial Wastes, vol. 23, no. 10, pp. 1248-1253, 1951.         [ Links ]

[4] C. P. Grady, G. T. Daigger, and H. C. Lim, Biological wastewater treatment. New York: Marcel Dekker, 1999, pp. 377-481.         [ Links ]

[5] S. Liu, B. Ni, L. Wei, Y. Tang, and H. Yu, "Contact-adsorption-regeneration-stabilization process for the treatment of municipal wastewater," Journal of Water and Environment Technology, vol. 7, pp. 83-90, 2009.         [ Links ]

[6] A. C. van Haandel e G. Marais, O comportamento do sistema de lodo ativado: teoria e aplicações para projetos e operação. Campina Grande - PB (Brazil): EPGRAF, 1999, pp. 125-260.         [ Links ]

[7] M. von Sperling, "Princípios básicos do tratamento de esgotos," en Princípios do tratamento biológico de águas residuárias, vol. 2. Belo Horizonte: Universidade Federal de Minas Gerais, 1996, pp. 105-136.         [ Links ]

[8] F. Sanin, A. Vatansever, I. Turtin, F. Kara, B. Durmaz, and M. Sesay, "Operational conditions of activated sludge: Influence on flocculation and dewaterability," Drying Technology, vol. 24, pp. 1297-1306, 2006.         [ Links ]

[9] L. D. Benefleld and C. W. Randall, Biological process design for wastewater treatment, Series in Environmental Sciences, Spectrum Book USA: Prentice Hall, 1981, pp. 140-365.         [ Links ]

[10] M. Sarioglu, D. Orhon, E. Gõrgün, and N. Artan, "Design procedure for carbon removal in contact stabilization activated sludge process," Water Science and Technology, vol. 48, pp. 285-292, 2003.         [ Links ]

[11] G. Tchobanoglous, F. L. Burton, H. D. Stensel, and Metcalf & Eddy®, Wastewater engineering: treatment and reuse, 4^a ed. New York: McGraw-Hill, 2003, pp. 425 - 680.         [ Links ]

[12] W. V. Alexander, G. A. Ekama, and G. R. Marais, "The activated sludge process part 2. application of the general kinetic model to the contact stabilization process," Water Research, vol. 14, 1980.         [ Links ]

[13] J. R. Schultz, B. A. Hegg, and K. L. Rakness, "Realistic sludge production for activated sludge plants without primary clariflers," Journal (Water Pollution Control Federation), vol. 54, no. 10, pp. 1355-1360, 1982.         [ Links ]

[14] J. Chudoba and F. Tucek, "Production, degradation, and composition of activated sludge in aeration systems without primary sedimentation," Journal (Water Pollution Control Federation), vol 57, no. 3, pp. 201-206, 1985.         [ Links ]

[15] A. Guellil, F. Thomas, J. C. Block, J. L. Bersillon, and P. Ginestet, "Transfer of organic matter between wastewater and activated sludge flocs," Water Research, vol. 35, pp. 143-150, 2001.         [ Links ]

[16] S. Puig, M. van Loosdrecht, A. Flameling, J. Colprim, and S. Meijer, "The effect of primary sedimentation on full-scale WWTP nutrient removal performance," Water Research, vol. 44, pp. 3375-3384, 2010.         [ Links ]

[17] N. Vásquez, J. A. Rodríguez, P. Torres, and C. A. Madera "Performance of contact stabilization process for domestic wastewater treatment of Cali, Colombia," Dyna, vol. 168, pp. 98-107, 2011.         [ Links ]

[18] APHA, AWWA and WEF, The Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21^th ed. Washington DC: American Public Health Association, 2005, pp. 2-55, 5-14.         [ Links ]

[19] B. Wilén, D. Lumley, A. Mattsson, and T. Mino, "Relationship between floc composition and flocculation and settling properties studied at a full scale activated sludge plant," Water Research, vol. 42, pp. 4404-4418, 2008.         [ Links ]

[20] A. Hernández, Depuración y desinfección de aguas residuales. Madrid (España): Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos., 1992, pp. 135 - 180        [ Links ]

[21] A. H. Ullrich and M. W. Smith, "Operation experience with activated sludge: biosorption at Austin, Texas," Sewage and Industrial Wastes, vol. 29, pp. 400413, 1957.         [ Links ]

[22] S. R. Mendonça, Sistema de lagunas de estabilización. Bogotá (Colombia): McGraw-Hill, 1999, pp. 145-148.         [ Links ]

[23] D. Bolzonella, P. Pavan, P. Battistoni, and F. Cecchi, "Mesophilic anaerobic digestion of waste activated sludge: influence of the solid retention time in the wastewater treatment process," Process Biochemistry, vol. 40, pp. 14531460, 2005.         [ Links ]