ELIMINACIÓN DE NUTRIENTES DEL EFLUENTE DE UN REACTOR ANAEROBIO DE MEMBRANAS SUMERGIDAS (SAnMBR) MEDIANTE

FANGOS ACTIVADOS Y CULTIVO DE MICROALGAS.

J.E. Sánchez-Ramírez1, A. Ruiz-Martinez

2, F. García-Usach

2, A. Bouzas

1, A. Seco

1 y J.

Ferrer2

1 Dpto. de Ingeniería Química, Universitat de València. Avinguda de la Universitat s/n. 46100 Burjassot, Valencia

2 Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente, IIAMA. Universitat Politècnica de València. Camí de Vera, s/n.

46022, Valencia.

alberto.bouzas@uv.es

Resumen En este trabajo se presentan dos opciones para el post-tratamiento de un agua residual urbana tratada previamente en un reactor anaerobio de membranas sumergidas (SAnMBR). Las características medias del efluente del SAnMBR son baja DQO biodegradable (ca. 30 mg DQO·L

-1), elevadas concentraciones de nutrientes (55 mg N-NH4

+·L

-1, 7 mg P-PO4

-3·L

-1, 105 mg

S-2

·L-1

) y una concentración de metano disuelto en torno a 43 mg DQO·L-1

. El primer tratamiento estudiado está constituido por un sistema de fangos activados bajo configuración UCT. Los resultados muestran una inhibición en el proceso de nitrificación debida a la presencia de sulfuro que puede controlarse optimizando el TRH de la zona aerobia. Cuando la nitrificación está bien establecida, se alcanzan porcentajes de eliminación de N y P del 56 y 45%, respectivamente. A la eliminación de N contribuye la oxidación de los sulfuros presentes en el agua. Asimismo, se ha observado la presencia de bacterias metanotróficas aerobias que podrían contribuir al proceso de desnitrificación. Por otro lado, se ha demostrado la posibilidad de emplear el efluente de un SAnMBR para mantener un cultivo mixto de microalgas. El sistema de tratamiento propuesto proporciona una eliminación del 94.6% de N y del 98.3% de P (14.62 mg N-NH4

+·L

-1·d

-1 y 2.14 mg P-PO4

-3·L

-1·d

-1). El CO2 requerido por las microalgas para su

crecimiento es suministrado mediante un sistema controlado por el pH del medio.

Palabras Clave Eliminación de nutrientes, membranas anaerobias, metano, microalgas, sulfuro

Introducción El tratamiento de agua residual urbana mediante reactores anaerobios de membranas sumergidas (SAnMBR) presenta una serie de ventajas frente a otros tratamientos. Entre estas ventajas destaca la producción de biogás, que permite el aprovechamiento energético del agua residual, y la menor generación de fangos. Sin embargo, el efluente de un SAnMBR contiene concentraciones de nitrógeno y fósforo similares a las del agua residual afluente; concentraciones moderadas de materia orgánica biodegradable; y concentraciones importantes de sulfuro y metano disuelto (Giménez y col., 2011). Se hace por tanto necesario un tratamiento posterior si se pretenden eliminar estos nutrientes para hacer posible la reutilización del agua tratada o su vertido al medio natural. Las características del efluente de un SAnMBR lo hacen susceptible de ser tratado mediante un sistema de fangos activados con eliminación biológica de nutrientes. De acuerdo con la bibliografía, es posible usar metano como fuente de carbono para la desnitrificación en condiciones anóxicas. Este proceso es llevado a cabo por un consorcio de bacterias metanotróficas y heterótrofas bajo diferentes condiciones ambientales (Islas-Lima y col., 2004). Por otra parte, el sulfuro contenido en este tipo de efluentes también puede contribuir en los procesos de desnitrificación. Sin embargo algunos estudios (Sears K y col., 2004) mencionan la posible inhibición de las bacterias nitrificantes en presencia de sulfuros.

Bajo el término microalga se incluyen aquellos microorganismos unicelulares capaces de llevar a cabo la fotosíntesis. Debido a su capacidad para eliminar nutrientes inorgánicos se plantea en este trabajo la posibilidad de emplear un cultivo mixto de microalgas como post-tratamiento del efluente anaerobio. La combinación de un SAnMBR con una etapa de depuración mediante microalgas presenta, además, las siguientes ventajas:

• La posibilidad de generar biomasa de microalgas a partir del efluente disponible sin consumir materia orgánica.

• La alta alcalinidad del efluente del SAnMBR lo convierte en un medio de cultivo especialmente adecuado para los microorganismos fotosintéticos que emplean carbono inorgánico.

• La biomasa generada puede ser recirculada al SAnMBR para contribuir a la generación de biogás y a la recuperación energética del proceso. El fango digerido resultante contendría nitrógeno y fósforo que permitiría su aplicación agrícola.

Este trabajo plantea dos posibilidades de post-tratamiento para la eliminación de nutrientes del efluente de un SAnMBR que trata agua residual urbana: fangos activados y cultivo de microalgas. Ambas opciones han sido estudiadas sobre el efluente de una planta piloto SAnMBR situada en la EDAR de la Cuenca del Carraixet (Valencia). Materiales y Métodos El estudio de fangos activados se ha desarrollado en una planta piloto (Figura 1) compuesta de un reactor de 800 L y un decantador secundario de 80 L. La planta se ha operado bajo configuración UCT modificado (anaerobio de 84 L, anóxico 332 L, aerobio 384 L). Los reactores anaerobios y anóxicos se encuentran cubiertos con el fin de minimizar la reaireación y la pérdida de gases disueltos. La planta piloto está dotada de sondas on-line y elementos automatizados para el registros de pH, RedOx, oxígeno disuelto (OD), sólidos suspendidos, amonio y nitrato. La adquisición y el registro de datos, así como el control de la planta piloto, se realiza mediante un SCADA. Durante el estudio, el tiempo de retención celular (TRC) se mantuvo en 20 d y se ensayaron dos tiempos de retención hidráulico (TRH), 13 y 26 h. El OD se controló en 1 mg·L

-1 y la temperatura promedio del sistema fue de 21 ºC.

El estudio con microalgas se ha realizado en dos fotobiorreactores cilíndricos a escala de laboratorio (8 L, diámetro 20 cm) que trabajan en semicontinuo a temperatura ambiente. La biomasa se purga directamente del fotobiorreactor, de tal modo que el TRC y el TRH son idénticos. En un reactor se reemplaza 1 L de cultivo por 1 L de efluente del SAnMBR cada 6 horas (TRC 2 d) y en otro cada 12 horas (TRC 4 d). Los fotobiorreactores son iluminados mediante tubos fluorescentes (170 microS·m

-2·s

-1). El cultivo se agita mediante inyección de aire

en el fondo del reactor. El pH se mantiene en 7.2 inyectando CO2 puro en el circuito de agitación. El gas en el espacio de cabeza se aspira y recircula de nuevo al cultivo para evitar pérdidas de CO2. Los microorganismos empleados fueron aislados de las paredes del decantador secundario de la EDAR de la Cuenca del Carraixet. La principal ventaja de un cultivo mixto es su robustez y adaptabilidad a los cambios del afluente y factores externos. El cultivo sembrado consistió principalmente en cianobacterias (96.7%) y microorganismos de la clase de las clorofíceas (3.3%). Los parámetros analizados para el seguimiento analítico de los procesos fueron: sólidos suspendidos totales y volátiles, ácidos grasos volátiles, alcalinidad, nitrógeno amoniacal, nitrato, nitrito, fosfato, sulfuro, sulfato, tiosulfato, DQO y DBO. Las técnicas analíticas utilizadas se aplicaron de conformidad a los procedimientos descritos en el Standard Methods (APHA, 2005), excepto la determinación del los ácidos grasos volátiles y la alcalinidad que se determinaron según el método propuesto por la WRC (1992). Así mismo, la técnica FISH se empleó para la cuantificación de los microorganismos presentes en el sistema de fangos activados.

A B

Figura 1. Esquemas del fotobiorreactor (A) y de la planta piloto de fangos activados (B).

Resultados y Discusión El efluente del SAnMBR tratado en ambos sistemas de post-tratamiento presentaba una baja DQO biodegradable (ca. 30 mg DQO·L

-1), elevadas concentraciones medias de nutrientes

(55 mg N-NH4+·L

-1, 7 mg P-PO4

-3·L

-1, 105 mg S

-2·L

-1) y una concentración media de metano

disuelto en torno a 43 mg DQO·L-1

. En la Figura 2 se observa que para un TRH hidráulico de 13 h el proceso de nitrificación en el sistema de fangos activados era deficiente (<37%), posiblemente por la inhibición de la biomasa nitrificante en presencia de sulfuro. Este hecho se pudo comprobar con ensayos off-line en laboratorio, donde se observó que la biomasa recuperaba su capacidad nitrificante cuando no estaba sometida a la presencia continua de sulfuros. Durante este primer periodo, los porcentajes de eliminación de N y P fueron del 25 % y del 64%, respectivamente. Con el fin de mejorar el proceso de nitrificación se aumentó el TRH hasta 26 h, observando una mejora en la nitrificación hasta alcanzar una nitrificación completa (Figura 2), obteniéndose en este caso porcentajes de eliminación de N y P del 56 % y del 45%, respectivamente. Durante este segundo periodo, la materia orgánica biodegradable afluente al sistema sólo cubre alrededor de un 30% de la DQO necesaria para la desnitrificación observada. Por tanto, otras vías como la oxidación de sulfuros y la desnitrificación metanotrófica deben ser consideradas al evaluar este proceso. Ensayos off-line realizados en el laboratorio con biomasa de la planta piloto corroboraron la desnitrificación con sulfuros. Por lo que respecta al metano disuelto, se realizó un estudio microbiológico con el fin de cuantificar los organismos metanotróficos presentes en el sistema. Se observaron porcentajes de bacterias metanotróficas (tipo I y II) entre el 4 y 13 % durante el periodo estudiado.

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NH4-N Entrada NH4-N Salida TRC

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mg

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Tiempo (días)PO4-P Entrada PO4-P Salida TRC

TR

C(d

ías

)

TRH: 13 h TRH: 26 h

Figura 2. Evolución de los nutrientes en el sistema de fangos activados.

Respecto al estudio con microalgas, la Figura 3 muestra las variaciones en las concentraciones de amonio y fosfato en la entrada y salida de los fotobiorreactores. Los valores medios de concentración de biomasa, nutrientes en el efluente del fotobiorreactor y eliminaciones por litro de reactor se muestran en la Tabla 1. Para un TRC de 4 d se consiguen mayores porcentajes de eliminación de amonio y fosfato (94.6% y 98.3%, respectivamente). Sin embargo, la eliminación diaria por volumen de reactor es mayor trabajando con TRC de 2 d.

Figura 3. Evolución de los nutrientes en el fotobiorreactor para TRC=2 d y TRC=4 d. Tabla 1. Resultados promedio del post-tratamiento con microalgas.

Valores promedio SST (mg·L-1)

N-NH4 efluente (mg·L-1)

P-PO4 efluente (mg·L-1)

N eliminado (mg·L-1·d-1)

P eliminado (mg·L-1·d-1)

TRC=2d 467 11.64 0.11 19.46 / 67.2% 3.70 / 98.5%

TRC=4d 606 1.21 0.11 14.62 / 94.6% 2.14 / 98.3%

Conclusiones El tratamiento del efluente de un SAnMBR mediante un sistema de fangos activados ha permitido obtener eliminaciones de N y P del 56 y del 45 % a TRH elevados. En este proceso, y debido a la concentración de sulfuro presente, el TRH presenta una elevada influencia sobre el proceso de nitrificación. Se ha detectado la presencia de bacterias metanotróficas que junto con la oxidación del sulfuro pueden contribuir en el proceso de desnitrificación. La eliminación biológica de fósforo se ve afectada por el grado de nitrificación. Por otra parte, es posible mantener un cultivo mixto de microalgas autóctonas alimentadas con el efluente de un SAnMBR que trata agua residual urbana. Los nutrientes son eliminados obteniendo una calidad excelente del agua de salida, especialmente con TRC de 4 días. Sin embargo, la eliminación diaria por volumen de reactor es mayor trabajando con TRC de 2 días. Agradecimientos Se agradece la financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación (Proyectos CTM 2008-06809-C02-01/02 y CTM 2011-28595-C02-01/02) y de la Universitat de València (Proyecto precompetitivo UV-INV-AE11-40539).

Referencias 1. APHA (2005), Standard methods for the Examination of Water and Wastewater, 21

th edition. American Public Health

Association/American Water Works Association/Water Environmental Federation, Washington DC, USA. 2. Giménez J.B., Robles A., Carretero L., Durán F., Ruano M.V., Gatti M.N., Ribes J., Ferrer J. and Seco A. (2011)

Experimental study of the anaerobic urban wastewater treatment in a submerged hollow-fibre membrane bioreactor at pilot scale. Bioresource Technology 102, 8799–8806.

3. Islas-Lima S., Thalasso F., Gomez-Hernandez J. (2004) Evidence of anoxic methane oxidation coupled to denitrification. Water Research 38, 13–16. Jeison D. (2007) Anaerobic membrane bioreactors for wastewater treatment: feasibility and potential applications. PhD Thesis. Universidad de Wageningen. Holanda.

4. Sears K, Alleman J.E, Barnard J.L and Oleszkiewicz. J.A. (2004) Impacts of reduced sulfur components on active and resting ammonia oxidizers. Journal of industrial microbiology & biotechnology Volume 31. 369-378.

5. WRC (1992) Simple titration procedures to determine H2CO3* alkalinity and short-chain fatty acids in aqueous solutions containing known concentrations of ammonium, phosphate and sulphide weak acid/bases, Report No. TT 57/92, Water Research Commission, University of Cape Town, Pretoria, Republic of South Africa.