El tratamiento biológico de las aguas residuales en la planta de tratamiento de aguas residuales a menudo se logra utilizando sistemas convencionales de lodos activados . Estos sistemas generalmente requieren grandes áreas de superficie para las unidades de tratamiento y separación de biomasa debido a las propiedades de sedimentación generalmente pobres del lodo . Los gránulos aeróbicos son un tipo de lodo que puede autoinmovilizar flóculos y microorganismos en estructuras compactas esféricas y fuertes. Las ventajas del lodo granular aeróbico son una excelente capacidad de sedimentación, alta retención de biomasa, eliminación simultánea de nutrientes y tolerancia a la toxicidad. Estudios recientes muestran que el tratamiento aeróbico de lodos granulares podría ser un método potencialmente bueno para tratar aguas residuales de alta concentración con nutrientes, sustancias tóxicas.
El lodo granular aeróbico generalmente se cultiva en SBR (reactor secuencial por lotes) y se aplica con éxito como tratamiento de aguas residuales para aguas residuales de alta resistencia, aguas residuales tóxicas y aguas residuales domésticas. En comparación con los procesos granulares aeróbicos convencionales para la eliminación de DQO, la investigación actual se centra más en la eliminación simultánea de nutrientes, en particular DQO, fósforo y nitrógeno, en condiciones de presión, como alta salinidad o condiciones termofílicas.
En los últimos años, se han desarrollado nuevas tecnologías para mejorar la capacidad de asentamiento. El uso de tecnología de lodos granulares aeróbicos es uno de ellos.
Contexto
Los defensores de la tecnología de lodos granulares aeróbicos afirman que "desempeñará un papel importante como alternativa tecnológica innovadora al actual proceso de lodos activados en el tratamiento de aguas residuales industriales y municipales en un futuro próximo" [1] y que "se puede establecer fácilmente y utilizar de manera rentable en plantas de lodos activados ". [2] Sin embargo, en 2011 se caracterizó como "aún no establecido como una aplicación a gran escala ... con aplicaciones a gran escala limitadas e inéditas para el tratamiento de aguas residuales municipales". [3]
Biomasa granular aeróbica
La siguiente definición diferencia un gránulo aeróbico de un flóculo simple con propiedades de sedimentación relativamente buenas y surgió de las discusiones que tuvieron lugar en el 1er Taller de lodos granulares aeróbicos de la IWA en Munich (2004): [2]
Los gránulos que componen el lodo activado granular aeróbico deben entenderse como agregados de origen microbiano, que no se coagulan bajo un cizallamiento hidrodinámico reducido y que sedimentan significativamente más rápido que los flóculos de lodo activado.
- de Kreuk y col. 2005 [4]
Formación de gránulos aeróbicos.
La biomasa de lodos granulares se desarrolla en reactores secuenciales por lotes (SBR) y sin materiales portadores. Estos sistemas cumplen la mayoría de los requisitos para su formación como:
- Festín - Régimen de hambruna: deben seleccionarse periodos cortos de alimentación para crear periodos de festín y hambruna (Beun et al. 1999 [5] ), caracterizados por la presencia o ausencia de materia orgánica en el medio líquido, respectivamente. Con esta estrategia de alimentación se consigue la selección de los microorganismos adecuados para formar gránulos. Cuando la concentración de sustrato en el líquido a granel es alta, los organismos formadores de gránulos pueden almacenar la materia orgánica en forma de poli- β- hidroxibutirato para ser consumido en el período de hambruna, dando una ventaja sobre los organismos filamentosos. Cuando se aplica una alimentación anaeróbica, este factor se mejora, minimizando la importancia del tiempo de sedimentación corto y las fuerzas hidrodinámicas más altas.
- Tiempo de sedimentación corto: esta presión de selección hidráulica sobre la comunidad microbiana permite la retención de biomasa granular dentro del reactor mientras se lava la biomasa floculante. (Qin et al. 2004 [6] )
- Fuerza de cizallamiento hidrodinámico : Las evidencias muestran que la aplicación de altas fuerzas de cizallamiento favorece la formación de gránulos aeróbicos y la integridad física de los gránulos. Se encontró que los gránulos aeróbicos solo podían formarse por encima de un valor umbral de fuerza de corte en términos de velocidad de aire de flujo ascendente superficial por encima de 1,2 cm / s en una columna SBR, y se desarrollaron gránulos aeróbicos más regulares, redondos y más compactos a un alto corte hidrodinámico. fuerzas (Tay et al., 2001 [7] ).
El lodo activado granular también se desarrolla en reactores de flujo continuo utilizando el proceso de lodo activado híbrido (HYBACS), [8] que comprende un reactor de crecimiento adjunto con un tiempo de retención corto aguas arriba de un reactor de crecimiento suspendido. Las bacterias adheridas en el primer reactor, conocido como unidad SMART, están expuestas a una DQO alta constante, lo que desencadena la expresión de altas concentraciones de enzimas hidrolíticas en la capa de EPS alrededor de las bacterias (cita requerida). La hidrólisis acelerada libera DQO soluble fácilmente degradable que promueve la formación de lodo activado granular.
Ventajas
Se está estudiando el desarrollo de biomasa en forma de gránulos aeróbicos para su aplicación en la eliminación de materia orgánica , compuestos de nitrógeno y fósforo de las aguas residuales. Los gránulos aeróbicos en un SBR aeróbico presentan varias ventajas en comparación con el proceso convencional de lodos activados, tales como:
- Estabilidad y flexibilidad: el sistema SBR se puede adaptar a condiciones fluctuantes con la capacidad de soportar golpes y cargas tóxicas.
- Bajos requisitos de energía: el proceso de lodos granulares aeróbicos tiene una mayor eficiencia de aireación debido a la operación a mayor altura, mientras que no hay lodos de retorno o corrientes de reciclaje de nitratos ni requisitos de mezcla y propulsión.
- Huella reducida: el aumento en la concentración de biomasa que es posible debido a la alta velocidad de sedimentación de los gránulos de lodo aeróbico y la ausencia de un sedimentador final da como resultado una reducción significativa en la huella requerida.
- Buena retención de biomasa: se pueden lograr concentraciones de biomasa más altas dentro del reactor y se pueden tratar tasas de carga de sustrato más altas.
- Presencia de zonas aeróbicas y anóxicas dentro de los gránulos: para realizar simultáneamente diferentes procesos biológicos en un mismo sistema (Beun et al. 1999 [5] )
- Reducción de los costes operativos y de inversión: el coste de funcionamiento de una planta de tratamiento de aguas residuales que funcione con lodos granulares aeróbicos se puede reducir al menos en un 20% y los requisitos de espacio se pueden reducir hasta en un 75% (de Kreuk et al., 2004 [9]). ).
El proceso HYBACS tiene el beneficio adicional de ser un proceso de flujo continuo, evitando así las complejidades de los sistemas SBR. También se aplica fácilmente a la mejora de los procesos de lodos activados de flujo continuo, mediante la instalación de reactores de crecimiento adjuntos aguas arriba del tanque de aireación. La actualización al proceso de lodos activados granulares permite duplicar la capacidad de una planta de tratamiento de aguas residuales existente. [10]
Tratamiento de aguas residuales industriales
En la mayoría de los trabajos realizados con gránulos aeróbicos se utilizaron aguas residuales sintéticas. Estos trabajos se centraron principalmente en el estudio de la formación de gránulos, la estabilidad y la eficiencia de eliminación de nutrientes en diferentes condiciones operativas y su uso potencial para eliminar compuestos tóxicos. Se está estudiando el potencial de esta tecnología para tratar aguas residuales industriales, algunos de los resultados:
- Arrojo y col. (2004) [11] operaban dos reactores que se alimentaban con aguas residuales industriales producidas en un laboratorio para el análisis de productos lácteos ( DQO total : 1500–3000 mg / L; DQO soluble: 300–1500 mg / L; nitrógeno total: 50– 200 mg / L). Estos autores aplicaron cargas orgánicas y de nitrógeno de hasta 7 g DQO / (L · d) y 0,7 g N / (L · d) obteniendo eficiencias de remoción del 80%.
- Schwarzenbeck y col. (2004) [12] aguas residuales de malta tratadas que tenían un alto contenido de materia orgánica particulada (0,9 g TSS / L). Descubrieron que las partículas con diámetros promedio inferiores a 25-50 μm se eliminaron con una eficiencia del 80%, mientras que las partículas mayores de 50 μm solo se eliminaron con una eficiencia del 40%. Estos autores observaron que la capacidad del lodo granular aeróbico para eliminar la materia orgánica particulada de las aguas residuales se debía tanto a la incorporación a la matriz del biofilm como a la actividad metabólica de la población de protozoos que cubre la superficie de los gránulos.
- Cassidy y Belia (2005) [13] obtuvieron eficiencias de remoción para DQO y P del 98% y para N y VSS superiores al 97% operando un reactor granular alimentado con aguas residuales de matadero (DQO total: 7685 mg / L; DQO soluble: 5163 mg / L; TKN : 1057 mg / L y VSS: 1520 mg / L). Para obtener estos altos porcentajes de remoción, operaron el reactor a un nivel de saturación de OD del 40%, que es el valor óptimo predicho por Beun et al. (2001) para la eliminación de N, y con un período de alimentación anaeróbico que ayudó a mantener la estabilidad de los gránulos cuando la concentración de OD era limitada.
- Inizan y col. (2005) [14] trataron aguas residuales industriales de la industria farmacéutica y observaron que los sólidos suspendidos en las aguas residuales de entrada no se eliminaron en el reactor.
- Tsuneda y col. (2006), [15] al tratar aguas residuales del proceso de refinería de metales (1.0–1.5 g NH 4 + -N / L y hasta 22 g / L de sulfato de sodio), eliminó una tasa de carga de nitrógeno de 1.0 kg-N / m 3 · d con una eficiencia del 95% en un sistema que contiene gránulos autótrofos.
- Usmani y col. (2008) [16] alta velocidad del aire superficial, un tiempo de sedimentación relativamente corto de 5 a 30 min, una alta relación entre la altura y el diámetro (H / D = 20) del reactor y una carga orgánica óptima que facilitan el cultivo de compactos regulares y gránulos circulares.
- Figueroa y col. (2008), [17] aguas residuales tratadas de una industria conservera de pescado. Los OLR aplicados fueron de hasta 1,72 kg DQO / (m 3 · d) con agotamiento total de materia orgánica. El nitrógeno amoniacal se eliminó mediante nitrificación-desnitrificación hasta un 40% cuando las tasas de carga de nitrógeno eran de 0,18 kg N / (m 3 · d). La formación de gránulos aeróbicos maduros ocurrió después de 75 días de operación con 3.4 mm de diámetro, SVI de 30 mL / g VSS y densidad alrededor de 60 g VSS / L-gránulo
- Farooqi y col. (2008), [18] Las aguas residuales del refinado de combustibles fósiles, los productos farmacéuticos y los plaguicidas son las principales fuentes de compuestos fenólicos. Aquellos con estructuras más complejas suelen ser más tóxicos que el fenol simple. Este estudio tuvo como objetivo evaluar la eficacia de lodos granulares en UASB y SBR para el tratamiento de mezclas de compuestos fenólicos. Los resultados indican que el tratamiento anaeróbico por UASB y el tratamiento aeróbico por SBR se pueden utilizar con éxito para la mezcla de fenol / cresol, representativa de los principales sustratos en aguas residuales químicas y petroquímicas y los resultados muestran que el período de aclimatación adecuado es esencial para la degradación de m - cresol y fenol . Además, se encontró que el SBR era una mejor alternativa que el reactor UASB, ya que es más eficiente y se puede degradar con éxito una mayor concentración de m cresoles.
- López-Palau et al. (2009), [19] aguas residuales tratadas de una industria vinícola. La formación de gránulos se realizó utilizando un sustrato sintético y luego de 120 días de operación, el medio sintético fue reemplazado por aguas residuales de bodega real, con una carga de DQO de 6 kg DQO / (m 3 · d).
- Dobbeleers "et al." (2017), [20] aguas residuales tratadas de la industria de la patata. La granulación se logró con éxito y la nitrificación / desnitrificación simultánea fue posible acortando el ciclo del nitrógeno.
- Caluwé "et al." (2017), [21] Se comparó una estrategia de festín / hambruna aeróbica y una estrategia de festín anaeróbico, hambruna aeróbica para la formación de lodo granular aeróbico durante el tratamiento de aguas residuales petroquímicas industriales. Ambas estrategias tuvieron éxito.
Investigación piloto en lodos granulares aeróbicos
La tecnología de granulación aeróbica para su aplicación en el tratamiento de aguas residuales está ampliamente desarrollada a escala de laboratorio. La experiencia a gran escala está creciendo rápidamente y múltiples instituciones están haciendo esfuerzos para mejorar esta tecnología:
- Desde 1999, Royal HaskoningDHV (ex DHV Water), la Universidad Tecnológica de Delft (TUD), STW (Fundación Holandesa para la Tecnología Aplicada) y STOWA (Fundación Holandesa para la Investigación Aplicada del Agua) han estado cooperando estrechamente en el desarrollo de la tecnología de lodos granulares aeróbicos ( Nereda ). En septiembre de 2003, se llevó a cabo una primera investigación exhaustiva en plantas piloto en STP Ede, Países Bajos, con el objetivo de obtener una granulación estable y la eliminación de nutrientes biológicos. Tras el resultado positivo, junto con seis Juntas de Agua holandesas, las partes decidieron establecer una Asociación Público-Privada (PPP), el Programa Nacional de Investigación de Nereda (NNOP) , para madurar, ampliar e implementar varias unidades a gran escala. Como parte de esta APP, se han llevado a cabo extensas pruebas piloto entre 2003 y 2010 en múltiples plantas de tratamiento de aguas residuales. Actualmente hay más de 20 plantas en funcionamiento o en construcción en 3 continentes.
- A partir del lodo granular aeróbico pero utilizando un sistema de contención para los gránulos, IRSA (Istituto di Ricerca Sulle Acque, Italia) desarrolló un reactor granular de biofiltro por lotes secuenciado (SBBGR) con un volumen de 3,1m 3 . En esta planta se han realizado diferentes estudios de tratamiento de aguas residuales en una planta de tratamiento de aguas residuales italiana.
- El uso de gránulos aeróbicos preparados en laboratorio, como cultivo iniciador, antes de agregarlos en el sistema principal, es la base de la tecnología ARGUS ( sistema de actualización de gránulos aeróbicos ) desarrollada por EcoEngineering Ltd. Los gránulos se cultivan in situ en pequeños biorreactores denominados propagadores y llenan solo del 2 al 3% de la capacidad del biorreactor o fermentador (digestor) principal. Este sistema se está utilizando en una planta piloto con un volumen de 2,7 m 3 ubicada en una industria farmacéutica húngara.
- El Grupo de Ingeniería Ambiental y Bioprocesos de la Universidad de Santiago de Compostela está operando actualmente un reactor de planta piloto de 100 L.
El estudio de viabilidad mostró que la tecnología de lodos granulares aeróbicos parece muy prometedora (de Bruin et al., 2004. [22] En base a los costos anuales totales, un GSBR ( reactores discontinuos de secuenciación de lodos granulares ) con pretratamiento y un GSBR con postratamiento demuestra ser más atractiva que las alternativas de lodos activados de referencia (6–16%). Un análisis de sensibilidad muestra que la tecnología GSBR es menos sensible al precio de la tierra y más sensible al flujo de agua de lluvia. Debido a la alta carga volumétrica permitida, la huella de las variantes de GSBR son solo el 25% en comparación con las referencias, sin embargo, el GSBR con solo tratamiento primario no puede cumplir con los estándares actuales de efluentes para aguas residuales municipales, principalmente por exceder el estándar de efluentes de sólidos en suspensión causado por el lavado de biomasa no bien sedimentable.
Aplicación a gran escala
La tecnología de granulación aeróbica ya se aplica con éxito para el tratamiento de aguas residuales.
- Desde 2005, RoyalHaskoningDHV ha implementado más de 20 sistemas de tecnología de lodos granulares aeróbicos a gran escala (Nereda) para el tratamiento de aguas residuales industriales y municipales en 3 continentes. Un ejemplo es STP Epe, Holanda, con una capacidad de 59.000 pe y 1.500 m3.h-1, siendo la primera Nereda municipal a gran escala en Holanda. Entre los ejemplos de las últimas plantas de tratamiento de aguas residuales de Nereda (2012-2013) se incluyen Wemmershoek - Sudáfrica, Dinxperlo, Vroomshoop, Garmerwolde - Países Bajos.
- EcoEngineering aplicó el proceso de granulación aeróbica en tres industrias farmacéuticas, Krka dd Novo mesto Eslovenia, Lek dd Lendava, Eslovenia y Gedeon Richter Rt. Dorog, Hungría. Las plantas de tratamiento de aguas residuales ya están en funcionamiento desde hace más de cinco años.
Ver también
Referencias
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enlaces externos
- Royal HaskoningDHV-NEREDA
- TUDELFT - Universidad de Delft