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PROTOCOLO DE ADAPTACIÓN DE LODOS PARA

EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUAS

RESIDUALES DE LA EMPRESA PRODUCCIONES

QUÍMICAS S.A.

Proyecto de Grado

de

ANA CRISTINA GIRALDO & JESSICA MERCEDES SALAZAR

Presentado ante el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes para optar por el título de

INGENIERA QUÍMICA

Octubre 2013

Carrera: Ingeniería Química

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Protocolo de adaptación de lodos para el tratamiento biológico de aguas residuales de la empresa Producciones Químicas S.A.

Copyright 2013 Ana Cristina Giraldo & Jessica Salazar

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PROTOCOLO DE ADAPTACIÓN DE LODOS PARA

EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUAS

RESIDUALES DE LA EMPRESA PRODUCCIONES

QUÍMICAS S.A.

Proyecto de Grado

de

ANA CRISTINA GIRALDO & JESSICA SALAZAR

Presentado ante el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes para optar por el título de

INGENIERA QUÍMICA

Aprobado por:

Asesor del comité: Rocío Sierra, Ph.D. Co-asesor del comité: Manuel Rodríguez S., Ph.D. Miembros del comité: Andrés González, Ph.D. Miembros del comité: Ing. John Eastmond. Director del departamento: Oscar Alvarez, Ph.D.

Octubre 2013

Carrera: Ingeniería Química

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Resumen

Protocolo de adaptación de lodos para el tratamiento biológico de aguas residuales de la

empresa Producciones Químicas S.A. (Octubre 2013)

Ana Cristina Giraldo & Jessica Mercedes Salazar

Asesora: Rocío Sierra, Ph.D.

Co-asesor: Manuel Rodríguez, Ph.D.

La empresa Producciones Químicas S.A. tiene aguas residuales con elevados niveles de

demanda biológica de oxígeno (DBO5) y demanda química de oxígeno (DQO). Por esto, busca

complementar su planta de tratamiento actual con un bioreactor de lodos activados, para

remover esta carga orgánica y poder tramitar el permiso de vertimientos. Actualmente cuenta

con un reactor-sedimentador que infortunadamente se encuentra en desuso a causa del bajo

desempeño y problemas de crecimiento y mantenimiento de los lodos. Se buscó un proceso para

obtener unos lodos activados adaptados al efluente de la empresa que lograran la remoción

deseada. En este artículo se presentan los resultados de la adaptación evaluada en un reactor

piloto escala laboratorio, se establece un protocolo para ejecutar este proceso, y se plantean las

recomendaciones pertinentes para su escalamiento y aplicación en la empresa. Durante el

desarrollo del proyecto se operaron reactores complementarios, se hizo un balance de masa

sobre el reactor principal y se incorporaron análisis microbiológicos básicos. Finalmente se

detectó una fuerte variación de DQO en el agua a tratar, sin embargo se logró procesar

biológicamente, hasta alcanzar remociones de 83% ante una carga de 6311 mg O2/L en el

reactor principal, y 66 % ante una carga de 25714 mg O2/L en uno de los reactores

complementarios.

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Agradecimientos Ana Cristina agradece: A los profesores Rocío Sierra, por su colaboración y acompañamiento durante mis estudios y en el desarrollo de este trabajo, Manuel Rodríguez, por la constante guía e infinita energía provista a mi vida y mis proyectos, y al ingeniero John Eastmond por sus enseñanzas e incondicional apoyo. A los seres microscópicos que vivieron en los reactores, sin ellos este trabajo no se habría realizado. A Juliana Martínez, José Rocha, John Jairo Cardeñosa, Julián Aldana, Olga Gómez, Nancy Henao, Erika Cruz, David Rodríguez, Mildred Lemus, Armando Saavedra, Nicolás Loaiza, Carlos Sánchez, Adriana Jaimes, Mariela Quintero, Edna Delgado, Ángela Moreno, Rocío Rocha, Carmen Rodríguez, y demás personal de los laboratorios de Ingeniería Ambiental, de seguridad, de aseo y técnicos de la Universidad de los Andes involucrados en el desarrollo de este proyecto que, con grandes aportes y sobrepasando sus obligaciones laborales, permitieron que este trabajo se llevara a cabo. A los profesores Manuel Rodríguez y Mario Hernández que me prepararon para abordar este proyecto con sensatez. A mi familia, profesores y compañeros de diversos ámbitos y épocas por su confianza y apoyo, y a los estudiantes e investigadores con los que compartí varios semestres en el laboratorio de Ingeniería Ambiental, enriqueciendo mi carrera con conocimientos, amistad y experiencias nuevas. Jessica Mercedes agradece: Agradezco de manera especial a todos los que enriquecieron este proyecto con su apoyo y conocimiento. A John Eastmond por brindarnos esta gran oportunidad. A Rocío Sierra y Manuel Rodríguez por su dedicación, disposición y por sus valiosos aportes a este proyecto. Al personal del laboratorio de Ingeniería Ambiental por su paciencia y colaboración. A Dios gracias por su dirección en cada decisión que enfrentamos durante el desarrollo del proyecto y por permitirme trabajar en equipo con paciencia y sabiduría junto con Cristina.

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Dedicatorias El proyecto de grado realizado lo dedico a la cuenca baja del rio Fucha, y el título obtenido lo dedico a las plantas, perros, otros animales callejeros y demás seres vivos que buscarán consumir, respirar y habitar recursos naturales saneados. Ana Cristina.

Este logro va dedicado por sobre todas las cosas a mi Padre Celestial quién es mi guía constante y me mostró su eterno amor. A mis padres y hermano por siempre estar allí incondicionalmente, por ser mi fuerza y motor. A mis amigos que me apoyaron durante todo el proceso.

Jessica Mercedes

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Tabla de contenidos Resumen ........................................................................................................................................ 2

Agradecimientos ........................................................................................................................... 5

Dedicatorias ................................................................................................................................... 6

Tabla de contenidos ....................................................................................................................... 5

Lista de Figuras ............................................................................................................................. 7

Lista de Tablas .............................................................................................................................. 8

1. Planteamiento del problema ................................................................................................ 11

2. Objetivos ............................................................................................................................. 11

2.1 Objetivo General ............................................................................................................... 11

2.2 Objetivos Específicos ........................................................................................................ 12

3. Introducción ........................................................................................................................ 12

3.1 Aguas residuales y su tratabilidad biológica ..................................................................... 12

3.2. Tratamiento de aguas residuales por lodos activados ....................................................... 13

3.3 Adaptación de lodos .......................................................................................................... 16

4. Metodología ........................................................................................................................ 17

4.1 Caracterización del agua residual industrial ...................................................................... 17

4.2 Adaptación de lodos a escala laboratorio .......................................................................... 18

4.3 Protocolo de adaptación de lodos ...................................................................................... 23

5. Resultados y discusión ........................................................................................................ 23

5.1 Caracterización del Agua Residual Industrial ................................................................... 23

5.2 Adaptación de los lodos a escala laboratorio .................................................................... 25

5.3 Protocolo de adaptación de lodos ...................................................................................... 38

6. Conclusiones ....................................................................................................................... 48

7. Referencias .......................................................................................................................... 50

Anexo 1: Diagrama del proceso en la PTAR de la empresa Producciones Químicas S.A. ........ 53

Anexo 2: Definiciones matemáticas de factores para el diseño de lodos activados. ................... 54

Anexo 3: Metodología de análisis ............................................................................................... 55

A3.1. Carbono total en líquidos .............................................................................................. 55

A3.2. Carbono total en sólidos ................................................................................................ 55

A3.3. DBO .............................................................................................................................. 55

A3.4. DQO .............................................................................................................................. 55

A3.5. Fósforo Total ................................................................................................................. 55

A3.6. Fosfatos ......................................................................................................................... 55

A3.7. NTK ............................................................................................................................... 56

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A3.8. Nitrógeno amoniacal ..................................................................................................... 56

A3.9. Nitratos .......................................................................................................................... 56

A3.10. Nitritos ......................................................................................................................... 56

A3.11. Nitratos y Nititos para sólidos (CEN, 2007) ............................................................... 56

A3.12. Sulfatos ........................................................................................................................ 57

A3.13. Sólidos suspendidos volátiles ...................................................................................... 57

A3.14. Sólidos sediemntables ................................................................................................. 58

Anexo 4: Evaluación montajes escala laboratorio y montaje final ............................................. 59

A4.1. Primer y segundo montaje: aireación con bombas de aire y aire comprimido (agosto, septiembre y octubre 2012). .................................................................................................... 59

A4.2. Tercer montaje: aireación con aire comprimido y difusores (noviembre y diciembre 2012). ...................................................................................................................................... 60

A4.3. Cuarto montaje: automatización (enero y febrero 2013) ............................................... 61

Anexo 5: Montaje reactores piloto escala laboratorio ................................................................. 62

Anexo 6: Resultados cualitativos adaptación lodos en laboratorio ............................................. 63

A6.1. Fase 1 ............................................................................................................................. 63

A6.2. Fase 2 ............................................................................................................................. 63

Anexo 7: Resultados de los ensayos microbiológicos complementarios .................................... 63

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Lista de Figuras

Figura 1 R1 al comienzo del proceso de adaptación. .................................................................. 24 Figura 2 Flóculos formados en R1 al finalizar la Fase I ............................................................. 26 Figura 3 Variables controladas y respuesta importantes durante el proceso de adaptación de lodos. De abajo hacia arriba: cambios en el TRH, adición o retiro de lodo, reinicio del proceso, carga de DQO del alimento en su respectivo porcentaje de agua industrial (solo para llegada de agua nueva), sólidos suspendidos volátiles, índice volumétrico de lodos y remoción de DQO . 28 Figura 4. Curva de crecimiento de los sólidos suspendidos volátiles ......................................... 30

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Lista de Tablas

Tabla 1. Valores recomendados para los factores de diseño de lodos activados convencionales 17 Tabla 2 Muestras y medios empleados en las siembras de microbiología .................................. 22 Tabla 3. Caracterización del agua industrial antes y después del tratamiento primario .............. 23 Tabla 4 Resultados experimentales del balance de masa ............................................................ 31 Tabla 5 Resultados experimentales para el balance de masa de carbono sobre el lodo .............. 34 Tabla 6. Frecuencia y toma de muestra de los análisis ............................................................... 40 Tabla 7. Detalle del parámetro concentración de biomasa .......................................................... 42 Tabla 8 Detalle del parámetro sedimentabilidad ......................................................................... 43

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1. Planteamiento del problema Producciones Químicas S.A, empresa productora principalmente de estearatos y octoatos de metales pesados, también fabricante de naftenos, actualmente cuenta con una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) que consta de tres etapas de proceso: un tratamiento físico químico, un tratamiento biológico a través de lodos activados y finalmente, el tratamiento terciario de desinfección. La operación de la etapa primaria se lleva a cabo por lotes, mientras que la secundaria y terciaria es en continuo. El esquema general del proceso de tratamiento de aguas residuales se muestra en el Anexo 1. Dado que el agua residual que maneja la empresa es el resultado de la combinación de los desechos líquidos procedentes de la planta de proceso, mayoritariamente de la fabricación de octoatos junto con aguas de lavado, el agua de entrada a la PTAR contiene metales pesados y un alto contenido de sustancias orgánicas. Estos elevados niveles de carga orgánica no se han podido remover hasta la fecha de una manera satisfactoria, por consiguiente, el agua residual depurada no puede ser vertida al sistema de alcantarillado. La generación diaria de aguas residuales de la planta es relativamente pequeña y está alrededor de 1.5 a 2 m3. Hoy, la unidad del tratamiento secundario está parada y en desuso debido a su bajo desempeño en la remoción de carga orgánica y a complicaciones del proceso relacionadas con el crecimiento y la viabilidad de los lodos activados. En consecuencia, el agua proveniente del proceso y lavado de la planta es tratada en la etapa primaria y de ahí pasa directamente a la etapa terciaria para luego ser reutilizada como agua de make up en la torre de enfriamiento. Considerando el gran valor del recurso hídrico, la necesidad de evitar la contaminación y daño ambiental producidos por los efluentes industriales, y que Producciones Químicas S.A. proyecta tramitar el permiso de vertimientos para poder desechar los excedentes cuando estos se presenten o sea necesario, el diseño y viabilidad de la etapa secundaria debe ser revisado para cumplir la legislación de vertimientos (Secretaría Distrital de Ambiente, 2009;Minambiente, 2010). El presente estudio buscó adaptar lodos al agua residual de la empresa mediante un proceso de adaptación a través de ensayos experimentales en un bioreactor aerobio escala laboratorio, en donde se evaluaron factores de interés en la eliminación de la carga orgánica. Como resultado se obtuvo un protocolo que permitirá el escalamiento de este proceso al bioreactor de la empresa.

2. Objetivos El objetivo del presente trabajo se divide en tres objetivos específicos.

2.1 Objetivo General Construir un protocolo de adaptación de lodos para el tratamiento biológico de aguas residuales de la empresa Producciones Químicas S.A., estableciendo qué condiciones de operación son efectivas para la remoción de carga orgánica.

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2.2 Objetivos Específicos

1. Caracterizar globalmente las corrientes del tratamiento primario y secundario, según su composición y caudales.

2. Realizar la adaptación de lodos a escala laboratorio al efluente de la empresa,

reconociendo los parámetros de operación que favorecen la remoción de carga orgánica.

3. Establecer un protocolo para el proceso de adaptación de lodos y las condiciones para su escalamiento a nivel industrial.

3. Introducción Los conocimientos básicos teóricos con los cuales se desarrolló este trabajo se resumen a continuación.

3.1 Aguas residuales y su tratabilidad biológica En las últimas décadas, la conciencia sobre la importancia del tratamiento y reutilización del agua ha ido aumentando. Esto se refleja en la profusión de normativas más estrictas en cuanto a la limpieza y tratamiento del agua residual (Secretaría Distrital de Ambiente, 2009;Minambiente, 2010). El tipo de tratamiento a emplearse para eliminar o transformar los contaminantes de un agua residual depende de sus características y concentración, y la aplicación de un tratamiento biológico depende de su biodegradabilidad (Ma, Gou, Zhao, Chang, & Cui, 2009). En general, las aguas residuales consisten en una mezcla compleja de sólidos y componentes disueltos como contaminantes químicos, físicos y biológicos. Dentro de los químicos se encuentran compuestos inorgánicos (nitrógeno, fósforo, partículas metálicas, etc.) y orgánicos (materia orgánica, hidrocarburos, microcontaminantes orgánicos como pesticidas, detergentes, fenoles, etc.). El objeto de un PTAR es reducir a concentraciones aceptables o transformar químicamente a compuestos inofensivos estos constituyentes. El tipo de tratamiento a emplearse depende de las características, concentración y biodegradabilidad de los compuestos en el agua a tratar y de las que se desean alcanzar. Actualmente, las rutas de procesamiento consisten de tres fases principales: el tratamiento primario, en el cual se lleva a cabo la supresión de contaminantes de fácil separación, eliminación de sólidos suspendidos y de películas de grasas y aceites. Un tratamiento secundario, donde se da la oxidación biológica de materia orgánica. Por último, en el tratamiento terciario se da la eliminación directa de contaminantes restantes (Bailey & Ollis, 1986). Las tecnologías de procesos biológicos empleadas en el tratamiento de agua residual buscan la eliminación de sustancias biodegradables disueltas mediante un ambiente controlado en donde los microorganismos puedan crecer y desarrollarse adecuadamente. La remoción de dichas sustancias se puede realizar en un medio en presencia de oxígeno (aerobio) o en ausencia de él (anaerobio). Dentro de las tecnologías de tratamiento aerobias están los procesos de biopelícula y los de lodos activos. Estos últimos son los más comúnmente utilizados para remover la carga

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orgánica de las aguas industriales domésticas e industriales. En general un proceso aerobio transforma el sustrato en biomasa, dióxido de carbono y agua (Wang, et. al., 2009). Los indicadores más comunes para determinar el grado de contaminación orgánica de un efluente son: la demanda biológica de oxígeno (DBO5) y la demanda química de oxígeno (DQO). La DBO5 mide la cantidad de oxígeno disuelto utilizado por los microorganismos para la oxidación de materia orgánica biodegradable en 5 días. La DQO es un indicador de la carga total de oxígeno necesaria para oxidar la materia orgánica biodegradable y no biodegradable (Bailey & Ollis, 1986;Vivas, 1998;Rittmann & McCarty, 2001). Una relación DBO5/DQO dentro del rango de 0.5 - 0.8 indica que el agua es tratable biológicamente debido a que predomina la contaminación orgánica biodegradable (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004).

3.2. Tratamiento de aguas residuales por lodos activados Aunque existen métodos químicos como la ozonización y la oxidación fotocatalítica para el tratamiento de este tipo de contaminación, no son tan comunes debido a la complejidad y elevados costos de operación y a la generación de contaminantes secundarios (Li, Liu, Bai, Ohandja, & Wong, 2007). Así, los sistemas de tratamiento biológicos ofrecen una mejor alternativa para el tratamiento de aguas residuales que contienen materia orgánica de alta resistencia y complejidad (Aloui, Khoufi, Loukil, & Sayadi, 2009). En el tratamiento por lodos activados, se da la producción de una masa activa de microorganismos capaz de estabilizar un residuo por vía aerobia (De Lucas, et. al, 2007). La biodegradación o biotransformación es un proceso de degradación natural en el cual las comunidades microbianas juegan un rol muy importante para romper o alterar las estructura de las sustancias orgánicas e inorgánicas constituyentes del agua residual (Mannan, Fakhru'l-Razi, & Alam, 2005). La biorremedación a través de lodos activos, es una tecnología ambientalmente amigable que ha demostrado ser eficiente en la remoción de constituyentes orgánicos biodegradables y fracciones inorgánicas de las aguas residuales domésticas e industriales antes de descargarlas a un cuerpo de agua receptor (Li, et. al., 2007; Dennison, O'Brien, Gopalkrishnnan, & Stark, 2010). Gracias a la acción de una población diversa de microorganismos estos contaminantes se convierten en biomasa nueva y subproductos o intermediarios no dañinos que pueden ser separados del agua tratada por destilación, sedimentación u otros medios físicos (Wang, Pereira, & Hung, 2009; Van den Broeck, Van Impe, & Smets, 2009). El proceso convencional de lodos activos es el más ampliamente usado para el tratamiento biológico de aguas residuales (Tan, Miyanaga, Toyama, Uy, & Tanji, 2010). Aunque existen diversas formas de operación de este proceso, los principios básicos permanecen (Van den Broeck, et. al., 2009). Comúnmente es un proceso aerobio continuo o semi-continuo en el cual se produce una masa activa de microorganismos capaz de formar un conglomerado con materia orgánica inerte e inorgánica, denominados flóculos biológicos, los cuales se encuentran en suspensión y se mezclan con la corriente de agua residual de forma continua a través de la aireación. De este modo, estabilizan o degradan las sustancias orgánicas en el efluente en presencia de oxígeno mediante bio-oxidación y reacciones de nitrificación (Bailey & Ollis, 1986; De Lucas, Rodríguez, Villaseñor, & Fernández, 2007). Habitualmente, el proceso de lodo activo consiste de un reactor llamado tanque de aireación, un tanque de sedimentación, el reciclado de sólidos al tanque de aireación procedente del tanque de

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sedimentación, una línea de purga de lodo y el clarificado. En el reactor se produce el crecimiento en suspensión del lodo activado; este se separa por sedimentación del agua residual depurada. Junto con la corriente de agua residual salen del tanque de aireación más lodos activados de los que se pueden formar de nuevo en el mismo periodo de tiempo, por esta razón, una parte del lodo activado se recircula al reactor y se tiene como residuo el lodo en exceso (Rittmann & McCarty, 2001). Dentro de los lodos activos se ha evidenciado la presencia mayoritariamente de bacterias Gram negativas, una presencia significativa de Gram positivas y varias especies de protozoos, los cuales desempeñan un rol fundamental en la formación de los flóculos y son un indicador del rendimiento del proceso. Esta compleja y diversa microbiota en los lodos activos influencia el rendimiento y la robustez del proceso (Papadia, et. al., 2011). La biomasa activa se mide como sólidos suspendidos volátiles (SSV) (Vivas, 1998). En el caso específico del agua residual de Producciones Químicas S.A., se tienen altas cargas de DQO provenientes principalmente de agua en equilibrio con varsol y ocasionalmente diluciones de metanol. El varsol es un producto de la industria petrolera y cuenta con mezclas de hidrocarburos alifáticos y cíclicos especialmente n-nonano y n-decano. “Los n-alcanos en el rango de 5 a 9 carbonos son tóxicos para muchos microorganismos pero pueden ser biodegradados por ciertas cepas específicas que tienen el conjunto correcto de enzimas. Los n-alcanos de 10 a 22 carbonos se ha encontrado que son raramente degradados en el ambiente o en laboratorio. (…) Normalmente los alcanos son convertidos en alcoholes, luego aldehídos y por ultimo ácidos grasos” (Reineke, 2001). En la literatura se encuentra que los microorganismos más comúnmente usados en la degradación de hidrocarburos alifáticos y cíclicos de más de 9 carbonos son del género Bacillus, Pseudomonas y Rhodococcus. Wentzel, Ellingsen, Kotlar, Zotchev & Throne-Holst (2007) hacen una lista detallada de las especies de bacterias aerobias que se pueden cultivar de mezclas de alcanos, incluyendo los géneros Acinetobacter, Alcanivorax, Bacillus, Mycobacterium sp., Paracoccus, Pseudomonas, Rhodococcus y Thalassolituus. Los microorganismos aerobios degradan o mineralizan los hidrocarbonos de la materia orgánica biodegradable para proveer energía, metabolitos y material celular para la generación de biomasa, el mantenimiento celular y transformarlo a dióxido de carbono, agua y sales minerales (Molla, et. al., 2002; Coello Oviedo, López Ramírez, Sales Márquez, & Quiroga Alonso, 2003). Dentro de los factores que afectan significativamente el rendimiento de los lodos activados se encuentran: el pH, concentración inicial del sustrato, temperatura del proceso (Li, et. al., 2007)., la carga orgánica, la relación sustrato/biomasa (F/M), el tiempo de retención hidráulica (TRH), la edad de lodos (SRT), la aireación (oxígeno disuelto y mezclado) y la regulación enzimática. Además, se ha de tener en cuenta la cantidad mínima de sólidos volátiles en suspensión en mezcla (SSV) deben estar dentro del rango de 1500 – 3000 mg/L (Bailey & Ollis, 1986; Rittmann & McCarty, 2001; Wang, et. al., 2009), y los nutrientes mínimos para que los microorganismos puedan sobrevivir en un proceso aerobio deben estar en una relación recomendada entre carbono-nitrógeno-fosforo de 100: 5: 1 (Tchobanoglous, et. al., 2004). Para la información matemática de los factores mas importantes ver el Anexo 2. El proceso de lodos activados busca obtener la máxima remoción de contaminantes en el menor tiempo posible, al mismo tiempo que se desea producir flóculos biológicos de buena sedimentabilidad. En esencia, estos dos objetivos están a favor de una buena calidad del

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efluente, aunque no son compatibles pues una alta eficacia en remoción a una tasa rápida ocasiona lodos activos de sedimentabilidad pobre (Wang, et. al., 2009). Generalmente en los sistemas de lodos activados de aguas industriales, la separación del líquido y sólido es uno de los parámetros más importantes y la microbiota existente es la que determina la calidad de sedimento. Una mezcla balanceada de microorganismos filamentosos y formadores de flóculos es la clave para la buena sedimentación, ya que algunas bacterias como las Zooglea y varias Pseudomonas producen biopolímeros exocelulares, que permiten unirse entre ellos y formar flóculos esféricos de tamaño pequeño que pueden crecer en matrices gelatinosas o limosas. Cuando además hay microorganismos filamentosos que unen varios de estos pequeños limos, se forman flóculos macro amorfos y de mayor razón área superficial/volumen. En general los recuentos en lodos activados en aguas industriales muestran 108 UFC por mg de lodo, de bacterias como Commonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Bacillus, Achromobacter, Corynebacterium, Brevibacterium y Acinetobacter, además de las ya nombradas (Water Environment Federation, 2008). Otros microorganismos encontrados son algunos protozoos, rotíferos y algunos filamentosos como Sphaerotilus, Beggiatoa y Vitreoscilla (Water Environment Federation, 2008). Los hongo como Geotrichum, Penicillium, Cephalosporium, Cladosporium y Alternaria no son comúnmente encontrados en abundancia en la formación de flóculos, excepto cuando el ambiente del reactor es ácido, tóxico y con deficiencia de nitrógeno. Así, los hongo indican razones potenciales para problemas de sedimentación en el proceso (por ejemplo bulking). Esta compleja y diversa microbiota en los lodos activos influencia el rendimiento y la robustez del proceso (Rittmann & McCarty, 2001; Papadia, Rovero, Fava, & Di Gioia, 2011). Para cuantificar la buena sedimentabilidad del lodo, se calcula el índice volumétrico de lodos (IVL) que relaciona los sólidos sedimentables con los sólidos suspendidos volátiles (SSV). El problema más común en sedimentación es llamado bulking y está asociado a deficiencia de nutrientes; el bulking por microorganismos filamentosos se da por la alta razón que tienen entre área superficial/volumen, cualidad que les permite sobrevivir ante razones alimento/microorganismos bajas y falta de nutrientes. Por su parte, el bulking por microorganismos no filamentosos se debe a que en condiciones de deficiencia de nutrientes varios tipos de bacterias pueden producir excesiva cantidad de exopolímeros. En todos los casos, los problemas de bulking se ven reflejados en valores del IVL por encima de 150 (Water Environment Federation, 2008). Otro problema muy común se llama crecimiento disperso y está asociado normalmente a altas cargas de DBO5, problemas de transferencia de oxigeno o toxicidad. En este caso los flóculos grandes están divididos en pin flocs o pinpoint flocs por la baja densidad de microorganismos filamentosos. El crecimiento disperso se ve reflejado en valores de IVL menores a 50 (Water Environment Federation, 2008).

3.2.1. Relación sustrato/biomasa (F/M). La relación entre la biomasa y el sustrato, está dada por dos principios interrelacionados. El primero es que los microorganismos metabólicamente activos, catalizan reacciones de remoción de contaminantes. Esta remoción depende de la concentración de la biomasa activa. El segundo es que la biomasa activa crece y se sustenta consumiendo el sustrato. La tasa de crecimiento de la biomasa es proporcional al consumo de sustratos primarios (Rittmann & McCarty, 2001).

3.2.2. Tiempo de retención hidráulica (TRH, θ)

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El tiempo de retención o detención hidráulica es el tiempo de una gota de líquido dentro del reactor. Esta dado por la relación entre el volumen del tanque de aireación o del reactor y el caudal del efluente a tratar, y se expresa en horas (Rittmann & McCarty, 2001).

3.2.3. Edad de lodos (SRT, θx) Es el tiempo de retención de sólidos o tiempo de residencia de lodos o biomasa, y por definición es independiente al TRH. Se designa θx y se expresa en días. Este es uno de los parámetros más sensibles en el tratamiento de lodos activos, pues afecta directamente la composición de la biomasa en el sistema, incide en la sedimentabilidad de los lodos y aporta información directa sobre la tasa de crecimiento de los microorganismos. Se controla con la cantidad de lodos recirculado al sistema. Para procesos convencionales de lodos activos se tiene que la cantidad de sólidos en suspensión en mezcla de solución (MLSS) deben estar dentro del rango de 1500 – 3000 mg/L. Estos rangos pueden varían de acuerdo al proceso. (B. E. Rittmann & P. L. McCarty, 2001).

3.2.4. Niveles de oxígeno y aireación Las bacterias aerobias necesitan la presencia de oxígeno para crecer y lo utilizan como aceptor de electrones en reacciones con producción de energía. Para satisfacer la demanda de oxígeno del proceso de oxidación orgánico, el reactor debe ser aireado. La aireación se realiza comúnmente por difusión de aire para mantener el mezclado turbulento del lodo en suspensión y el contacto íntimo de los flóculos con el sustrato. La difusión de aire facilita la trasferencia de masa del O2 hacia lo flóculos biológicos y la transferencia de CO2 y otros productos de desecho fuera de estos. En la práctica se busca mantener un mínimo de oxígeno disuelto entre 1 a 2 mg/L. El objetivo es mantener el gradiente de oxígeno disuelto sobre la interfaz líquido-flóculo (Bailey & Ollis, 1986; Rittmann & McCarty, 2001; Terasaka, et.al., 2011).

3.3 Adaptación de lodos La adaptación o aclimatización de lodos es un proceso de ajuste fisiológico, morfológico o genético a un ambiente con condiciones que hacen a los microorganismos más aptos para existir en un nuevo hábitat (Senthilnathan & Ganczarcyk, 1988). Los lodos activados están constituidos por una microbiota heterogénea, la cual es capaz de responder de manera dinámica a cambios en su medio, particularmente a cambios que fatigan la colonia. Algunos de los fenómenos de fatiga incluyen cambios en la temperatura, pH o salinidad, exposición a materias tóxicas, exposición a moléculas orgánicas xenobióticas y a grandes cambios en la disponibilidad de sustrato La adaptación o aclimatación puede tender a eliminar la fatiga o a encontrar una manera de mantener su funcionalidad en presencia de ésta. El período de adaptación es el intervalo de tiempo entre la exposición inicial a la fatiga y la adaptación de la colonia. Durante este período se presenta una selección y multiplicación de microorganismos especializados capaces de beneficiarse de la fatiga los cuales crecen selectivamente y llegan a constituir la mayor proporción de la biomasa total. Este mecanismo se conoce como enriquecimiento selectivo (Rittmann & McCarty, 2001). La duración del período de adaptación depende de la tasa de duplicación de la célula enriquecida, del tipo y del tamaño inicial de inóculo, condiciones físicas, químicas concentración y duración de la exposición (Senthilnathan & Ganczarcyk, 1988). Como regla general, en las etapas iniciales se produce escasa o nula biotransformación y al avanzar en el

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proceso de adaptación, las colonias son capaces de transformar más rápidamente el sustrato y se vuelven más robustas ante posteriores exposiciones. La adaptación por enriquecimiento selectivo requiere de pocos días a varios meses y suele ir acompañada por una alteración considerable en la estructura de la microbiota (Rittmann & McCarty, 2001). En comunidades microbianas aerobias los periodos de aclimatización tienen un rango típico de horas a días (Ye & Shen, 2004). Es bien sabido que la adaptación fenotípica de microorganismos, la cual es la más común frente a cambios o fluctuaciones de las condiciones del ambiente, es temporal y se puede perder rápidamente frente a la desaparición del factor estimulante. Pero, los lodos se pueden readaptar si son expuesto nuevamente a un entorno en presencia del factor originalmente estimulante, así los microorganismos desadaptados tratan de readaptarse. El tiempo requerido para la readaptación usualmente es menor que el tiempo requerido para la adaptación inicial. Al hablar de adaptación genotípica hay cambios en la información genética por mutación o recombinación y al perderse el estímulo se puede perder la adaptación a lo cual se le llama reversión. (Senthilnathan & Ganczarcyk, 1988) En general, la adaptación de lodos mejora la tasa de degradación de compuestos orgánicos recalcitrantes (Xu, Zhang, Sims, Bernards, & Hu, 2013), y la adaptación a un compuesto químico puede inducir la habilidad de metabolizar muchos más compuestos que tengan una estructura similar (Senthilnathan & Ganczarcyk, 1988). De allí que la retención de biomasa adaptada, aumentando el tiempo de retención de los lodos, resulta benéfica porque no hay pérdida de esos microorganismos. (Senthilnathan & Ganczarcyk, 1988) Por practicidad la mayoría de los estudios sobre lodos activados se desarrollan en un ambiente de laboratorio el cual es inoculado con lodos comúnmente tomados de una PTAR a gran escala, esto reduce el tiempo de arranque de la configuración escala laboratorio y provee un población diversa de microorganismos. La transferencia de lodos adaptados a un ambiente diferente causa que la microflora sufra una fuerte transición para adaptarse al nuevo ambiente y condiciones de operaciones (Van den Broeck,et. al., 2009). Durante el proceso de aclimatización se tienen en cuenta algunos de los factores de mayor incidencia en el desempeño de los lodos activados; los valores normales usados en procesos convencionales se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Valores recomendados para los factores de diseño de lodos activados convencionales

(Wang et al., 2009).

Factor Valor usado Unidades

Relación F/M 0.2 – 0.4 kg DBO/(kg SSV. d) MLSS 3000 mg/L TRH 4 - 8 h SRT 5-15 d 𝐎𝟐 disuelto mínimo 2 mg/L

4. Metodología

4.1 Caracterización del agua residual industrial Para los fines de este estudio, la caracterización del efluente industrial se hizo con base a dos muestras preliminares recolectadas durante veinticuatro horas de producción normal. La primera

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muestra de tomó del agua que entra a la PTAR y la segunda muestra del agua después del tratamiento primario. Los análisis químicos NTK, nitrógeno amoniacal, fosfatos y sulfatos, llevados a cabo en el laboratorio de Ingeniería Ambiental, se realizaron con base a los métodos analíticos estándares descritos en el Anexo 3. Además de los análisis químicos se realiza una identificación básica de caudales y microbiología asociada.

4.2 Adaptación de lodos a escala laboratorio

4.2.1 Insumos y unidad experimental A continuación se presentan los aspectos a tener en cuenta, montajes e insumos preliminares a la adaptación.

4.2.1.1 Inóculo

Los bioreactores escala laboratorio fueron inoculados con lodos del bioreactor de la PTAR de la Universidad de Los Andes (PTAR Uniandes) ubicada en el Centro Deportivo, por la facilidad de acceso y porque estos lodos activados provenían de una PTAR que se consideró de buen desempeño. Cada bioreactor se sembró con una concentración de 4000 mg SSV/L.

4.2.1.2 Agua residual La empresa Producciones Químicas S.A. realizó envíos de agua residual industrial según se requería para el proceso de adaptación. Ésta se recolectaba de los tanques de equilibrio ubicados entre el tratamiento primario y secundario. Dado que el proceso de adaptación de lodos activos programado en este estudio planteaba un cambio progresivo del agua relativa al inóculo al agua industrial, también se usó agua residual sin tratamiento que entraba a la PTAR Uniandes. De aquí en adelante se hará referencia al agua residual industrial con tratamiento primario como Agua Industrial, y al agua sin tratamiento que entra a la PTAR Uniandes como Agua Uniandes.

4.2.1.3 Unidad experimental: configuración y operación.

En el laboratorio de bioreactores de Ingeniería Ambiental de la Universidad de los Andes se desarrolló un proceso desde agosto del 2012 para determinar el mejor montaje de dos reactores, con etapas de reacción y sedimentación, variando sistemas, potencias y tiempos de aireación, sedimentación, carga y descarga. Utilizando agua y lodos de la PTAR del centro deportivo de la Universidad de los Andes (PTAR Uniandes) y teniendo como objetivo mantener constante la cantidad de biomasa, el tamaño de los flóculos y cualitativamente una baja turbiedad en el clarificado, se realizaron cuatro montajes como se puede ver detalladamente en Anexo 4. Finalmente se implementaron dos bioreactores escala laboratorio, cada uno consistía en un cilindro de acrílico cristal con una capacidad total de 6 L, de 18.5 cm de diámetro y 22.5 cm de altura. Estos fueron operados bajo las condiciones ambientales del Laboratorio de Bioreactores de Ingeniería Ambiental de la Universidad de los Andes (temperatura ambiente de 19 °C), los dos sistemas funcionaron en paralelo empleando procesos de tratamiento por lodos activos comunes, siendo R1 el bioreactor principal y R2 el bioreactor de respaldo. Cada configuración de tratamiento de lodos activos tenía un volumen efectivo (VE) de 3.5 L, y contaba con un sistema de aireación con aire comprimido, dosificado a través de un arreglo de

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mangueras concéntrico simulando difusores de burbuja fina. También tenía un sistema de carga y descarga con bombas peristálticas y tanques para el almacenamiento del alimento y del clarificado. El montaje fue automatizado por medio de temporizadores digitales programables y fue monitoreado continuamente a través de cámaras web. Para mayor detalle sobre la configuración experimental referirse al Anexo 5. Una secuencia normal de operación comprendía la carga del reactor, un período de aireación (igual al TRH), sedimentación, y por último descarga del clarificado. Después se volvía a cargar el reactor y se repetía nuevamente el circuito de operación descrito. Durante todo el proceso ningún lodo se perdió intencionalmente y en caso de pérdida siempre se hizo reposición de lodos. El alimento siempre se procuró fresco y homogéneo con los nutrientes requeridos. Al inicio se agregó orina como fuente de nitrógeno para luego sustituirla por urea.

4.2.2 Modelo de Adaptación de lodos

Para el proceso de adaptación de los lodos activos escala laboratorio, se partió del inóculo previamente sometido a un ensayo con Agua Uniandes con el propósito de identificar el comportamiento y características de los lodos (tamaño de los flóculos, turbiedad del clarificado, sedimentabilidad, crecimiento, etc.) antes de someterlos al proceso de aclimatización. Durante esta fase preliminar se operó con un TRH de 2 horas y un tiempo de sedimentación (TS) de 2 horas, parámetros determinados durante los ensayos de agosto del 2012, donde se encontró que este TS era apropiado para la buena precipitación de los flóculos y clarificación del líquido, sin ocasionar condiciones anóxicas. Desde el 18 de febrero hasta el 26 junio del 2013, se evaluó el proceso de adaptación proyectado a diez etapas de aclimatización, cada una con una exposición progresiva de 10% de la carga de DQO hasta la carga total del Agua Industrial o Carga Objetivo, la tenía un valor de referencia de 11152 mg O2/L de DQO. El plan de adaptación precisó la preparación de mezclas de alimento con Agua Industrial y Agua Uniandes. De aquí en adelante se hará referencia a cada etapa según el porcentaje de Agua Industrial en la mezcla del alimento de esa etapa, para ilustrar un ejemplo, etapa 40 %, es la que tiene alimento con 40 % de Agua Industrial. Además, se programó que los incrementos de carga en el alimento se harían en intervalos de dos semanas aproximadamente. Cada etapa abarcaría varias secuencias de operación hasta observar que las variables de respuesta del sistema fueran favorables, relativamente estables y la remoción estuviera aumentando para así proseguir a la siguiente etapa. El TRH comenzó en 2 horas y aumentó proporcionalmente con la DQO del alimento. Durante el proceso se ajustó la aireación y se hizo monitoreo con análisis cualitativos y cuantitativos.

4.2.3 Monitoreo Durante cada etapa y especialmente al final de cada una de ellas, se tomaron muestras y se realizó un monitoreo de la respuesta de los lodos al proceso de adaptación por choques de carga orgánica, esto se evaluó mediante análisis cualitativos y cuantitativos físico-químicos. Ver Anexo 3 para la descripción detallada de los métodos de cada uno de los análisis enumerados a continuación.

4.2.3.1 Análisis cualitativos

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Los bioreactores R1 y R2 fueron operados y monitoreados en proceso de adaptación de lodos por un total de 126 días, los cuales para efectos del análisis cualitativo fueron analizados en dos fases. La Fase I fue el período inicial de 40 días, desde el inicio del proceso hasta el momento en que se pausó por una falla en el suministro del aire comprimido. La Fase II comprendió entonces los 86 días siguientes donde se dio continuidad al proceso, realizando la recuperación y readaptación de los lodos. El monitoreo cualitativo fue diario, llevando un registro escrito y fotográfico de las propiedades organolépticas del sistema y del lodo, la observación del comportamiento de la biomasa, formación de flóculos, calidad y velocidad de sedimentación, la calidad del clarificado y la formación de espuma.

4.2.3.2 Análisis cuantitativos El indicador principal fue la remoción de DQO en los reactores, determinada como se indica en la Ecuación 1. El segundo parámetro más usado fue el índice volumétrico de lodos (IVL) calculado como la relación entre los sólidos sedimentables (SS) y los sólidos suspendidos totales (SST) con la Ecuación 2 (EPA, 1987) .Adicionalmente se midieron SSV para verificar la cantidad de biomasa dentro del reactor. Por otra parte se midió el oxígeno disuelto durante el proceso de aireación con un oxímetro, el pH y la DBO5 en el alimento y el clarificado. La frecuencia del monitoreo consistió en un promedio de dos análisis de DQO y un análisis de SSV en cada etapa de adaptación, una medición de oxígeno disuelto y pH cada semana, y cuantificaciones de DBO5 al inicio y final del proyecto.

% Remoción =DQOAlimento − DQOClari�icado

DQOAlimento∗ 100 [1]

IVL �mLg� =

𝑆𝑆 �𝑚𝐿𝐿�

SST �mgL�∗ 100O [2]

4.2.4 Balance de Masa

Para caracterizar de manera general el comportamiento y rendimiento del bioreactor principal, se planteó un balance total sobre las especies de interés: nitrógeno, fósforo y carbono, así como un seguimiento de los sólidos en el sistema. Esto con el fin de hacer una aproximación a la dinámica de los macronutrientes e identificar los flujos existentes. El planteamiento general del balance de masa global se muestra en la Ecuación 3.

{± 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 } = {𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎} − {𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎} + {𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 − 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜} [3] Como las reacciones presentes en un sistema de lodos activados son muy complejas y presentan muchas especies químicas intermedias, y además se desconocen los parámetros cinéticos de la biomasa y la ruta metabólica por la que degradan los constituyentes del Agua Industrial; la estrategia abordada consistió en realizar el balance sobre el reactor para una secuencia de operación. Éste se realizó en una etapa de adaptación que presentó un crecimiento estable de los lodos, en donde se logró cuantificar la entrada y salida del sistema asociadas a las corrientes líquidas de alimento y clarificado. Considerando esto, la Ecuación 3 fue modificada resultando en la Ecuación 4.

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{GCA}anterior = {𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎}nueva − {𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎}nueva + {𝐺𝐶𝐴}nueva [4] En la Ecuación 4, el término {GCA }anterior está asociado a la biomasa en el reactor antes del momento en que se pudieron iniciar las mediciones. Esto significa que está conformado por materia de generación menos consumo más acumulación que no fue cuantificada, así como puede presentar una fase gaseosa que tampoco se cuantificó. Por otra parte, el término de generación menos lo que se consume, más el término de acumulación (todos a partir del momento en que se empezaron las mediciones), se agruparon dentro de un término denominado {GCA}nueva . y se cuantificó asociado a la biomasa generada y su actividad metabólica. Para evitar incluir los términos anterior y nuevo en la ecuación de balance, se remplazo {GCA}anterior por un término de Corrientes No Cuantificadas (CNC), el balance general resultante se expresó como se muestra en la Ecuación 5

{𝐶𝑁𝐶 } = {𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎} − {𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎} + {𝐺𝐶𝐴}𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑛𝑢𝑒𝑣𝑎 [5] En términos de las muestras representativas se obtuvo el balance que se muestra en la Ecuación 6:

{𝐶𝑁𝐶 } = {𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜} − {𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜} + {𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠} [6] El balance total de cada especie química, se especifica entonces en las Ecuaciones 7, 8 y 9 para fósforo, nitrógeno y carbono respectivamente.

𝑃𝐶𝑁𝐶 = 𝑃𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 − 𝑃𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 + 𝑃𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 [ 7 ]

𝑁𝐶𝑁𝐶 = 𝑁𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 − 𝑁𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 + 𝑁𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 [ 8 ]

𝐶𝐶𝑁𝐶 = 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 − 𝐶𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 + 𝐶𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 [ 9 ] Los análisis químicos realizados para el balance total de cada especie fueron: fósforo total, NTK, nitritos, nitratos y carbono total. Cabe señalar que para la medición en los lodos se emplearon los mismos métodos que para muestras líquidas, aunque para la determinación de las fracciones de nitratos y nitritos extraíbles se aplicó un estándar para el pretratamiento de suelos húmedos mediante extracción con una solución de cloruro de potasio como se explica en el Anexo 3 sección A.3.11.1. De la misma forma, para la medición del carbono total en el lodo, debido al alto contenido de humedad, fue necesario centrifugar la muestra y determinar la concentración de carbono en los lodos como la suma ponderada de la concentración del centrifugado y del sobrenadante. Para determinar la cantidad de biomasa que se producía en una secuencia de operación se midieron los sólidos suspendidos volátiles (SSV) durante un período de diez días cada tres días aproximadamente, dentro de la misma etapa de adaptación. Las muestras para los análisis se tomaron del bioreactor R1 tras 40 días de operación en la etapa de 40%. En el Anexo 3 se encuentra una buena descripción de la metodología de estos ensayos.

4.2.3 Ensayos complementarios

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Para experimentos adicionales se utilizó un reactor R3 de volumen efectivo 3,5 L y con el mismo equipamiento y operación por secuencias que R1 y R2. A diferencia de los procesos de adaptación de lodos llevados en los reactores 1 y 2, R3 se inoculó con biopelícula y lodos que se acumulaban en la torre de enfriamiento de la empresa por donde recircula el agua residual. Para un segundo experimento adicional se utilizó un beaker de 250 mL con un sistema de aireación similar al de los demás montajes, y este se inoculó con lodo del Reactor Uniandes. Se operó en aireación continua por 19 horas con Agua Industrial como alimento, de donde se tomaron varias muestras para microbiología con el fin de observar la variación de la microbiota en el tiempo, después de ser sometida a este choque de carga sin pasar por el proceso de adaptación.

4.2.5 Estudios microbiológicos complementarios Se realiza un estudio básico a partir de cuatro siembras: La primera corresponde a los análisis preliminares al Agua Industrial realizados el 26 de julio de 2012, la segunda fue de las etapas iniciales (1 de marzo de 2013), la siguiente fue a mediados del proyecto (24 de abril de 2013), y la última data cerca del final del proyecto (4 de junio de 2013). Las muestras fueron tomadas de R1 y R2 en varias etapas de adaptación para reconocer cambios de la microbiota a lo largo del tiempo. También se realizó un análisis de la viabilidad y crecimiento microbiano del Agua Industrial, y del lodo y biopelícula generado en la torre de enfriamiento de la empresa, así como del consorcio generado en R3. Por último, con las siembras también se estudiaron los resultados del experimento complementario realizado en el Beaker. La metodología utilizada para las tres siembras del 2013 fue realizar las diluciones pertinentes dependiendo de la muestra y hacer siembras masivas en superficie en cajas de petri con replica, en medios de cultivo preparados como se indica en la Tabla 2. Las cajas del 24 de abril se incubaron a 35 ºC, mientras que las demás se incubaron a 20 ºC. En todas las siembras el tiempo de incubación fue el demandado para poder observar crecimiento y por último se realizó un recuento de colonias por morfotipos. Posteriormente se hicieron láminas y tinción Gram con cada colonia y los resultados de microscopía fueron comparados con los morfotipos de los microorganismos esperados para cada muestra. Para las muestras preliminares hechas en el 2012, se hizo un estudio básico incluyendo siembras de aislamiento. Para evaluar la hipótesis de inhibición total en el Agua Industrial y observar morfotipos. Por esto, las diluciones de la muestra se sembraron primero en fondo y se incubaron a 35 ºC, para luego proceder a recuentos y microscopía por tinción Gram.

Tabla 2 Muestras y medios empleados en las siembras de microbiología

Fecha de siembra Muestra Medios de cultivo usados

4 junio 2013

R1 (en etapa 40 %) SPC en alimento 40 % R2 (en etapa 40 %) R3 (en etapa 100 %) SPC en alimento 100 % Lodo de torre de enfriamiento SPC y R2A en alimento 100 % Biopelícula de torre de enfriamiento

24 abril 2013 R1 (en etapa 50 %) Agar Agar en alimento 50 % R2 (en etapa 10 %) Agar Agar en alimento 10 %

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Continuación Tabla 2. Muestras y medios empleados en las siembras de microbiología

Lodo de torre de enfriamiento SPC en alimento 100 % Biopelícula de torre de enfriamiento R2A en alimento 100 %

1 marzo 2013

R1 (en etapa 20 %) Agar Agar en alimento 20 % R2 (en etapa 0 %) Agar Agar en Agua Uniandes con

azúcar Inóculo de Reactor Uniandes Beaker a los 0 min

Agar Agar en alimento 100 % Beaker a los 45 min Beaker a las 2 h y 25 min Beaker a las 6 h Beaker a 19 h

26 julio 2012 Agua Industrial SPC en agua estéril

4.3 Protocolo de adaptación de lodos Basándose en los resultados obtenidos de la adaptación de los lodos a escala laboratorio, se construyó un protocolo con el objeto de reunir técnicas y practicas útiles para el seguimiento y desarrollo del proceso de adaptación. Esta compilación provee una guía para el registro de resultados, criterios para su interpretación y la toma de decisiones. 5. Resultados y discusión

El orden de la discusión de resultados responde a los objetivos específicos del proyecto.

5.1 Caracterización del Agua Residual Industrial Se realizó una revisión de los constituyentes del agua antes (Muestra 1) y después (Muestra 2) del tratamiento primario, con el fin de encontrar valores posiblemente tóxicos para los microorganismos y/o problemáticos para la operación de los bioreactores. En la Tabla 3 se resumen los resultados de los análisis físico-químicos realizados.

Tabla 3. Caracterización del agua industrial antes y después del tratamiento primario Parámetro Unidad Muestra 1 Muestra 2 DQO total mg O2/L 10220 11152 DBO5 total mg O2/L 8160 7467 Sólidos suspendidos totales mg/L 58 30 Sólidos sedimentables mg/L < 0.2 < 0.2 Grasas y aceites mg/L 120 119 Fenoles totales mg/L 0.25 0.2 Tensoactivos mg/L 0.66 0.16 Arsénico total mg As/L 0.18 0.17 Cadmio total mg Cd/L 0.017 0.008 Cobre total mg Cu/L 0.14 0.13 Cromo total mg Cr/L 0.01 0.01 Hierro total mg Fe/L 0.16 0.08 Mercurio total mg Hg/L < 0.0007 <0.0007 Cinc total mg Zn/L 0.46 0.25 Plomo total mg Pb/L 0.19 0.05 Nitrógeno amoniacal mg N/L 3.4 6.2 NTK mg N/L 5.8 12.9 Fosfatos mg 𝑃𝑂4−3/L 62.4 1552 Sulfatos mg 𝑆𝑂4−2/L 1165.3 3376

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Como se mencionó anteriormente, la relación DBO5/DQO es un indicador de la tratabilidad por medios biológicos del agua residual. De los valores de DBO5 y DQO del agua industrial se obtuvo una relación de 0.67, clasificando así al efluente como tratable biológicamente. Al mismo tiempo se observó que el tratamiento primario no realiza una remoción significativa de la carga orgánica. Usualmente, en los tratamientos de floculación, coagulación y sedimentación del tratamiento primario, se logra una remoción entre el 40 % y 60 % de la carga orgánica suspendida. En este caso, la remoción de SST del agua industrial es del 48.3 %, evidenciando que la mayoría de la DQO y DBO5 a la entrada del tratamiento es disuelta y es requerido un tratamiento como el biológico para su remoción. Juntamente con esta baja concentración de SST, una concentración de sólidos sedimentables por debajo del límite inferior del método, determinó la necesidad de usar un inóculo para la operación del bioreactor, ya que a la entrada del tratamiento secundario existe una baja concentración de microorganismos capaces de formar flóculos, por lo que empezar la operación del reactor sin un inóculo adicional puede ser ineficiente y tardar mucho tiempo. Por otra parte, la falta de remoción de grasas y aceites en el tratamiento primario aporta más DBO5 a la entrada del bioreactor. Además, la presencia de éstas podría ocasionar problemas de operación debido a la formación de capas flotantes finas que mantengan los lodos en la superficie permitiendo que estos sean arrastrados en el clarificado. De la misma manera, durante la etapa de aireación, podrían producir burbujas hidrofóbicas que mantengan el fluido heterogéneo, disminuyendo así la asimilación del sustrato por parte de los microorganismos. Adicional a esto, la concentración de tensoactivos, aunque es baja respecto a la normativa de vertimientos vigentes, debe mantenerse bajo monitoreo para evitar la formación de espuma en la fase aireada del proceso. Es conocido que la presencia de fenoles en concentraciones entre 200 a 300 mg/L comienzan a ser tóxicos para los microorganismos (Rittmann & McCarty, 2001). No obstante, el efluente presentó concentraciones no tóxicas y en cumplimiento con la norma de vertimientos (Secretaría Distrital de Ambiente, 2009; Minambiente, 2010). También se evidenció que la concentración de fosfatos aumentó durante el tratamiento primario por la adición de ácido fosfórico en el tanque de floculación-coagulación para la formación de sales de metales. Aunque estos fosfatos son macronutrientes y pueden ser metabolizados por los microorganismos en el bioreactor, las concentraciones encontradas son muy altas, por lo que se recomienda revisar la dosis de ácido fosfórico y el pH óptimo para la precipitación de los metales en el tratamiento primario, debido a que los fosfatos pueden causar contaminación y eutrofización en cuerpos de agua. También se encuentra que la concentración de nitrógeno total y nitrógeno amoniacal en las muestras está por debajo de los requerimientos nutricionales de los microorganismos explicada en la introducción. La relación entre DQO y nitrógeno amoniacal del agua industrial es 1799 y debería estar alrededor de 20, mientras que la relación entre DQO y fosfatos es 7 y debería estar cercana a 100 (Tchobanoglous, et. al., 2004). Esto indica un fuerte desbalance nutricional con deficiencia de nitrógeno y exceso de fósforo, lo cual aporta en la baja eficiencia del reactor de la empresa y debe ser corregido para logar una buena operación. En general, es muy poco probable que los nutrientes en un medio, así sea complejo, estén en las proporciones requeridas para

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algún organismo en especial. La formula empírica aproximada para el material celular es C10H19O3N; si el medio tiene proporciones diferentes a estas otras sustancias como carbono, nitrógeno o fuentes de sulfuro, remplazarán relativamente a las faltantes (Lawrence, et al., 2009). Para compensar la deficiencia de nitrógeno, se adiciona una fuente de este en los reactores de laboratorio. Con respecto a los metales, en efluentes industriales es común encontrar iones metálicos pesados y en algunos casos en altas concentraciones, por esto la presencia de estos elementos en los lodos resultantes del proceso puede contaminar el suelo y suministros de agua (Rabii, Nabi Bidhendi, & Mehrdadi, 2009). Los metales y otras sustancias inorgánicas pueden ser inmovilizadas por la biomasa o los exopolímeros, y a un más, pueden ser incorporadas como cofactores o usadas como aceptores de electrones por las bacterias, pero existe una mezcla compleja de aspectos abióticos/bióticos de óxido-reducción que hace difícil identificar los mecanismos y transformaciones que se pueden dar en un bioreactor o sistema biológico (Rittmann & McCarty, 2001). Así, son comunes los procesos biológicos alimentados con metales y sus sales donde no se causará inhibición y se llegara a una reducción de la concentración de ellos o cambios en su estado de oxidación. Esto, complementado con los análisis microbiológicos discutidos más adelante, se encontró que las concentraciones de metales en el efluente industrial no son completamente inhibidoras y se pueden alimentar directamente al bioreactor. Sin embargo se recomienda en trabajos futuros revisar las concentraciones persistentes y verificar la eficiencia del floculador para remoción de metales. Se realizó una revisión general de los caudales que entran a la PTAR de la empresa cada semana. Las descargas de aguas residuales de la empresa son: Agua destilada en equilibrio con varsol de cuatro reactores de proceso, agua de las calderas, agua de purga de la torre de enfriamiento, el efluente del laboratorio y el agua del lavado de pisos. Los flujos resultantes de los reactores son los de mayor volumen y aportan cerca del 90 % de la carga orgánica a tratar en la PTAR. Al sumar todos los flujos se obtiene un total cercano a los 10000 L de agua residual por semana, distribuido en 3 o 4 descargas puntuales por día, con horarios y volúmenes según el esquema de producción de los reactores y de los horarios de limpieza y purgas de los equipos.

5.2 Adaptación de los lodos a escala laboratorio Los resultados que se presentan a continuación fueron obtenidos del proceso de adaptación de lodos llevado a cabo en R1. R2 tenía como función ser el soporte para el proyecto en caso de presentarse contratiempos y para el desarrollo de ensayos experimentales complementarios.

5.2.1 Monitoreo A continuación se muestran los resultados de los análisis cualitativos, DQO alimento, remoción de DQO, cambio de TRH, SSV e IVL. Se muestra un seguimiento en el tiempo de cada uno de ellos, lo que permite relatar el proceso de adaptación desde distintos puntos de evaluación, para así encontrar correlaciones entre ellos, definir eventos significativos y encontrar posibles explicaciones a las respuestas observadas en el sistema durante el proyecto.

5.2.1.1 Análisis cualitativos

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El análisis de la calidad de lodos y clarificado se presenta a continuación, para más detalles dirigirse al Anexo 6 donde se resume los parámetros de operación de R1 durante las condiciones estables de las dos fases de adaptación (antes y después del incidente del aire comprimido).

Fase I

Durante el proceso de adaptación desarrollado en esta fase, se logró exponer los lodos desde una carga del 20% hasta un 50% de Agua Industrial en la mezcla del alimento. En el Anexo 6 sección A6.1 se muestra de manera resumida la evolución y el comportamiento del sistema durante esta fase. El proceso comenzó con lodos oscuros y de baja remoción como el inoculo, pero luego la adaptación provocó un cambio en los lodos, terminando en un color curuba claro y formación de flóculos grandes y firmes. Aunque este aspecto favorable se perdió en varias ocasiones durante el proyecto, tener las mejores remociones siempre estuvo de la mano con observar las mejores condiciones en el lodo. En las Figuras 1 y 2 se muestra el cambio percibido en la Fase 1. Fue evidente que al comienzo de una nueva etapa se generaba abundante espuma, pero al continuar en esa etapa y empezar a estabilizarse la biomasa, la espuma se reducía y se controlaba considerablemente. Esto demostró una correlación entre el aumento de la remoción de DQO y la disminución de la capa flotante de espuma en el clarificado. Esta relación se puede atribuir a cambios en las rutas metabólicas, cambios en la microbiota o a que los microorganismos responsables de remover DBO5 pueden estar consumiendo las grasas, aceites y tensoactivos que forman espuma en el bioreactor.

Figura 1 R1 al comienzo del proceso de adaptación. Figura 2 Flóculos formados en R1 al finalizar la Fase I

Durante esta fase se realizó el cambio de funete de nitrógeno de orina a urea, buscando la practicidad al momento de implementarlo en la empresa. Este cambio no mostró ningún efecto en el sistema.

Fase II

El contratiempo del sistema de aire comprimido obligó a guardar los lodos del 29 de marzo hasta el 2 de abril a 4 °C, exponiendo los microorganismos a entrar en una fase endógena al no tener oxigeno ni alimento. Luego de esto se evidenció un decaimiento de la biomasa en su

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aspecto, floculación, sedimentabilidad y capacidad de remoción. Para una descripción más detallada de la Fase 2 dirigirse al Anexo 6 sección A6.2. Durante esta fase se decidió añadir un 25% en exceso de nitrógeno, con base a la posibilidad de insuficiencia en la administración de nitrógeno, que hasta el momento solo se calculaba para el requerimiento teórico mínimo. En otras palabras, no se habían considerado posibles dificultades de disponibilidad del mineral para los microorganismos, por los fenómenos de transporte en la mezcla. Este aumento no mostró ningún cambio notorio en el sistema pero es una decisión que se puede tomar al notar desmejoras en el sistema. Los cambios realizados en los caudales de aire en el sistema de aireación (pequeñas variaciones dentro del rango de 120 a 150 mL/s), respondían a las necesidades de mezcla observadas e intentos de aumentar el oxígeno disuelto hasta sus valores recomendados, sin llegar a romper los flóculos o generar demasiada espuma.

5.2.1.2 Análisis cuantitativos

DQO y porcentaje de agua industrial en alimento

El porcentaje de Agua Industrial en la mezcla de alimento fue el factor a controlar más importante al comienzo del proyecto, pero al transcurrir el experimento se encontró que la carga de DQO de la mezcla era un factor aún más crítico. En el recuadro de DQO alimento de la Figura 3, se destaca que en las etapas iniciales de adaptación se necesitó un menor número de envíos, lo que permitió mantener constante el agua industrial para las mezcla del alimento. De esta forma los aumentos de DQO en el alimento, en los primeros tres puntos, van de la mano con el incremento porcentual del Agua Industrial en la mezcla de alimento. Este aumento progresivo y controlado de la carga de DQO del alimento, permitió que la remoción aumentara rápidamente de 8 %, al inicio del proceso, hasta al pico más alto logrado en el proyecto de 83 % en etapa de 40 % correspondiente a 6311 mg O2/L de DQO. Al avanzar en el proyecto se detectó una fuerte variación de la carga de DQO del alimento dentro de la misma etapa de adaptación de 40 %. Esta variabilidad sometió a los microorganismos a cargas de DQO de 10267, 4171, 11709 y 16496 mg O2/L entre el 15 de mayo y el 17 de junio como se observa en la Figura 3; lo cual provocó una alta inestabilidad en la remoción y se alcanzaron los valores más bajos del proyecto (26 y 22 %). Debido a esto, se decidió dejar de trabajar con base al porcentaje de Agua Industrial en el alimento y se comenzó a trabajar por carga de DQO como se indica en el último punto del 17 de junio de la gráfica de DQO alimento. Esta nueva condición permitió mejorar el aspecto del lodo y después de 9 días, se logró subir de 22 % a 38 % de remoción de DQO. Hacia el final del proyecto se tomó también datos de DBO5 de la mezcla de alimento de 40 % Agua Industrial, encontrando una relación DBO5/DQO de 0.54 y una remoción de DBO5 del 29 %. Esto indica que el agua continuaba dentro del rango de tratabilidad biológica.

28

0

20

40

60

80

100

Remo

ción (

%)

0

20

40

60

80

100

IVL (m

L/g)

0

3000

6000

9000

12000

15000

SSV (

g/L)

Mar Abr May Jun Jul0

4000

8000

12000

16000

20000

DQO

alime

nto (m

g/L)

20

40

60

80

100

Agua

indu

strial

en al

imen

to (%

)

DQO% industrial

Mar Abr May Jun JulFecha

Even

tos

Cambio TRH Adición lodo Retiro lodo Reinicio

(2013)

Figura 3 Variables controladas y respuesta importantes durante el proceso de adaptación de lodos. De abajo hacia arriba: cambios en el TRH, adición o retiro de lodo, reinicio del proceso, carga de DQO del alimento en su respectivo porcentaje de agua industrial (solo para llegada de agua nueva), sólidos suspendidos volátiles, índice volumétrico de lodos y remoción

de DQO

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Influencia del TRH en la remoción

Se realizaron tres cambios de TRH a lo largo de la adaptación, los primeros dos fueron incrementos de acuerdo con los aumentos de carga. Esto dos cambios se hicieron porque los microorganismos se demorarían más tiempo consumiendo su alimento si éste aumentaba, ya que al haber más materia orgánica en el reactor, se necesita más tiempo para que se lleve a cabo las reacciones de metabolismo. Como se observa en la Figura 3, el primer cambio consistió en un aumento en el tiempo de aireación de 2 a 4 horas; dicho cambio resultó ser conveniente para el sistema al promover un aumento en la remoción de DQO y una mejoría en la calidad del lodo. El segundo cambio fue subir de 4 a 6 horas la aireación, el cual se realizó a los 5 días de haber avanzado a la etapa de 40 % y 3 días antes de empezar la etapa de 50 %, es decir, se hicieron tres cambios significativos en el sistema en una semana y esto provocó una inestabilidad en los microorganismos y una desmejora considerable en la remoción de DQO. Por lo anterior, se determinó realizar el tercer y último cambio de TRH regresando a 4 horas de aireación el 5 de abril buscando reactivar el sistema y recuperar la buena remoción de DQO. Esta vez, el cambio de tiempo de aireación se hizo con varios días de diferencia de los demás eventos presentados en esta época para evitar una recaída como ya había sucedido. A pesar de esto, el cambio de TRH no mostró ningún efecto positivo en el sistema por lo que se decidió regresar al porcentaje anterior de Agua Industrial (40 %), acción que cumplió su objetivo al recuperar remociones de 54 y 56 %. Con esto concluye que el TRH debe aumentar con la carga pero no se deben hacer dos cambios (de TRH y DQO) en la misma semana, y por otra parte la variación y alta carga de DQO estaba perjudicando el rendimiento del reactor.

Sólidos suspendidos volátiles (SSV)

El recuadro de SSV en la Figura 3, se debe analizar simultáneamente con los eventos de adición y retiro de lodo, presentados con marcadores “+” y “x” respectivamente en el recuadro de eventos. Al disminuir la cantidad de SSV en la mezcla fue necesario adicionar lodo nuevo o de R2 hasta regresar al rango recomendado, como se realizó durante las primeras semanas. Por el contrario, al tener las mejores remociones se produjo un exceso de biomasa que fue necesario retirarlo, por ejemplo, en el pico de 83 % de remoción se retiró lodo a una rata de doscientos mL al día aproximadamente. Por esto se concluye que es indispensable tener un reactor de respaldo para recibir lodos y mantenerlos activos, o para estar realimentando el reactor principal con nueva biomasa cuando sea necesario. Desde que la remoción retomo su tendencia a mejorar (2 de mayo) y hasta el final del proyecto se presentó un constante aumento en el volumen y concentración de lodos como se muestra en la Figura 3, lodos que no se retiraron para acumular esa nueva biomasa adaptada y por causa de otros ensayos necesarios.

Índice volumétrico de lodos (IVL)

El comportamiento de los sólidos sedimentables y del IVL durante el proyecto responde a la formación de flóculos y evolución del lodo como. Es importante resaltar que en el último dato tomado se logró llegar a 50 mL/g entrando así en el rango de sedimentabilidad buena, y en el periodo de las mejores remociones del proyecto se alcanzaron valores alrededor de los 40 mL/g. Como era de esperarse, estos tres momentos de altos IVL concuerdan con las fechas de mejor

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formación de flóculos en cuanto a tamaño, color y precipitación compacta sin dejar turbiedad a su paso. Los demás IVL reportados en el proyecto están por debajo del rango recomendado, lo que indica una mala sedimentabilidad con problemas de pin floc o crecimiento disperso de la biomasa, como se describió en la sección de resultados cualitativos, y como se explicará en la sección de resultados microbiológicos. Este crecimiento disperso fue un problema reincidente en los reactores de este trabajo por la posible disolución o rompimiento de los biopolímeros y flóculos por la alta carga y toxicidad del Agua Industrial. Para el análisis de formación de flóculos hay que tener en cuenta, entre otros factores, que la buena o mala sedimentación es proporcional a la edad de lodo o tiempo de retención de sólidos y a la relación alimento-microorganismos; en este caso estos factores que variaron durante el proceso por los cambios en alimento y continua adición y retiro manual del lodo.

5.2.2 Balance de Masa Para el balance de materia que se expone a continuación se determinó un ΔSSV para precisar cuánto lodo se producía en una secuencia de operación. El ΔSSV se calculó como la velocidad de crecimiento de la biomasa a través de una regresión lineal de los sólidos suspendidos volátiles (SSV) medidos en un período de diez días de operación relativamente constantes, sin problemas de derrames o espuma, como se muestra en la Figura 4, obteniendo un valor de 672 mg SSV/ (L*día).

Figura 4. Curva de crecimiento de los sólidos suspendidos volátiles

El manejo dimensional del ΔSSV, para determinar la cantidad de biomasa que se generó en una secuencia de operación se muestra en las Ecuaciones 10 a 12.

Δ𝑆𝑆𝑉 [𝑚𝑔 𝑆𝑆𝑉] = Δ𝑆𝑆𝑉 �𝑚𝑔 𝑆𝑆𝑉𝐿 𝑑í𝑎

� ∗ 𝑉𝐸 [𝐿] ∗ ( 𝑇𝑅𝐻 + 𝑇𝑆 )[ℎ] ∗1 𝑑í𝑎24 ℎ

[ 10 ]

Δ𝑆𝑆𝑉 [𝑚𝑔 𝑆𝑆𝑉] = 672𝑚𝑔 𝑆𝑆𝑉𝐿 𝑑í𝑎

∗ 3.5 𝐿 ∗ 6 ℎ ∗1 𝑑í𝑎24 ℎ

[ 11 ]

Δ𝑆𝑆𝑉 = 588 𝑚𝑔 𝑆𝑆𝑉 [ 12 ]

Se tiene entonces que dentro de una secuencia de operación la biomasa generada corresponde a 588 mg SSV, magnitud era de esperarse, puesto que un crecimiento significativo de los lodos normalmente tardaba varios días. Ahora bien, para correlacionar posteriormente el lodo que se genera con las concentraciones de los demás elementos del balance de masa, se determinó el

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 126000

8000

10000

12000

14000

16000

Día

SS

V (m

g/L)

p

y = 672*x + 7037R²=0.98

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volumen de lodo generado con la densidad y SSV del lodo sedimentado, medidos en el laboratorio como se muestra en la Ecuación 13

Δ𝑆𝑆𝑉 [ 𝐿 ] = Δ𝑆𝑆𝑉[ (𝑚𝑔 𝑆𝑆𝑉)] ∗ SSVlodo sedimentado ∗1

𝜌𝐿𝑜𝑑𝑜 𝑆𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜

= 588 𝑚𝑔 𝑆𝑆𝑉 ∗1 𝑔 𝑙𝑜𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜

29683 𝑚𝑔 𝑆𝑆𝑉∗

1 𝑚𝐿 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 0.99 𝑔 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜

∗1 𝐿

1000 𝑚𝐿

= 2 x 10−5 𝐿𝐿𝑜𝑑𝑜 [ 13]

Para los cálculos del balance de masa de todas las especies, se utilizaron los mismos volúmenes pues el volumen de alimento y clarificado de R1 era 2 L, y el volumen que se generó en la secuencia de operación sobre la que se hizo el balance se determinó 2 x 10-5 L. En la Tabla 4, se muestran los resultados experimentales obtenidos para cada muestra.

Tabla 4 Resultados experimentales del balance de masa

Muestra Fósforo Total NTK Nitritos Nitratos Carbono Total SSV (mg P /L) (mg N/ L) (mg N/ L) (mg N /L) (mg C/ L) (mg SSV/L)

Alimento 23.4 258 0.094 0 3358 130 Clarificado 18.1 481 0.027 1.14 2771 109 Lodo 556 3411 0.20 1.59 2833 2.9 x 107

Fósforo Total

El fosforo elemental no se encuentra en estado libre en la naturaleza porque se oxida fácilmente, sin embargo es muy común encontrarlo formando compuestos orgánicos y minerales. En aguas residuales el fósforo se encuentra casi todo como fosfatos y en suelos se puede encontrar como fósforo orgánico e inorgánico. El fósforo es esencial para el crecimiento de organismos y puede actuar como el macronutriente limitante (Tchobanoglous, et. al., 2004). El agua residual industrial estudiada en este trabajo, presenta una alta concentración de fosfatos debido a la adicción de ácido fosfórico durante el tratamiento primario del agua. Ahora bien, para las condiciones de temperatura y presión del sistema, el fósforo solo se encuentra en fase sólida y líquida.

Balance de Fósforo Total

Partiendo de la Ecuación 7, se tiene el desarrollo matemático de las Ecuaciones 14 a 17:

𝑃𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 �𝑚𝑔 𝑃𝐿

� ∗ 𝑉𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜[𝐿] − 𝑃𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 �𝑚𝑔 𝑃𝐿

� ∗ 𝑉𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜[(𝐿)] + 𝑃𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 �𝑚𝑔 𝑃𝐿

�

∗ Δ𝑆𝑆𝑉 [𝐿] [ 14 ]

18.1 𝑚𝑔 𝑃𝐿 ∗ 2 𝐿 − 23.4

𝑚𝑔 𝑃𝐿 ∗ 2𝐿+ 556

𝑚𝑔 𝑃𝐿 ∗ 2 x 10−5 𝐿 [ 15 ]

36.2 𝑚𝑔 𝑃 − 46.8 𝑚𝑔 𝑃 + 11.12𝑥10−3 𝑚𝑔 𝑃 = −10.6 𝑚𝑔 𝑃 [ 16 ]

𝑃𝐶𝑁𝐶 = 10.6 𝑚𝑔 𝑃 [ 17 ]

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Del resultado obtenido, se observa que la concentración de fosfatos es más alta en el clarificad que en el alimento asi que los 10.6 mg de fósforo en las corrientes no cuantificadas, es materia y es nutrientes de la biomasa antigua que se encontraba en el sistema, que los está liberando en el momento del muestreo para el balance. Teniendo en cuenta que en este balance el CNC no está asociado a flujos gaseosos, dentro del sistema esta desacumulación de fósforo puede estar asociada a la fase no aireada de sedimentación, lisis celular, liberación del nutriente por el metabolismo de los microorganismos, etc. Por otro lado, dado la incertidumbre del método de análisis químico del fósforo total es del 16.39 %, así que este resultado puede ser desviación del método. La descripción del método de análisis químico se encuentra en el Anexo 3.

Nitrógeno Total El nitrógeno es un elemento fundamental porque forma parte de las principales biomoléculas de todos los seres vivos. El ciclo del nitrógeno es complejo y en general presenta dos procesos fundamentales: nitrificación y desnitrificación, los cuales ocurren en presencia o ausencia de oxígeno, respectivamente. La remoción de amoniaco puede ser llevada a cabo por bacterias quimioautótrofas que usan los nitritos y nitratos en el agua residual como fuente de energía y aceptor de oxígeno (Prunty, et. al., 2010). El proceso de nitrificación ocurre en el sistema en dos fases, la primera abarca la oxidación de amonio (𝑁𝐻4+) a nitrito ( 𝑁𝑂2) y es seguido por la oxidación de nitrito a nitrato ( 𝑁𝑂3− ) como se muestra en la reacción a continuación.

𝑁𝐻4+ + 1.5 𝑂2 → 𝑁𝑂2 + 2𝐻+ + 𝐻2𝑂 (Gray, 2004)

Oxidación de amonio por bacterias del género Nitrosomonas

𝑁𝑂2− + 0.5 𝑂2 → 𝑁𝑂3− (Gray, 2004)

Oxidación de nitrito por bacterias del género Nitrobacter. Por otro lado, la desnitrificación es el proceso de remoción del nitrato ( 𝑁𝑂3− ) a través de su transformación biológica en gas nitrógeno (𝑁2), óxido nítrico (𝑁𝑂) y óxido nitroso ( 𝑁2𝑂). Este proceso usa bacterias en un ambiente anaerobio para convertir el nitrato en los compuestos gaseosos anteriores a través de la respiración de los microorganismos. En este caso el nitrato es usado como aceptor de electrones. Para que la desnitrificación ocurra es necesaria la presencia de materia orgánica. En el tratamiento de lodos activo, este proceso puede ocurrir en condiciones de niveles bajos de oxígeno y en presencia de DBO en el agua que está contacto con los lodos (Prunty, et. al., 2010). La reacción general de desnitrificacion se muestra a continuación. 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜𝑠 𝑂𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑜𝑠 + 𝑁𝑂3

→ 𝑀𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠 𝑎𝑛𝑎𝑒𝑟𝑜𝑏𝑖𝑜𝑠 + 𝐶𝑂2 + 𝑁2 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 (Gray, 2004)

Conversión de nitrato a gas nitrógeno por una bacteria desnitrificante En las aguas residuales, los compuestos nitrogenados se pueden encontrar en forma orgánica e inorgánica. El nitrógeno total consiste del nitrógeno total Kjeldahl (NTK) y nitrógeno inorgánico. La fracción inorgánica está representada por las especies nitritos (𝑁𝑂2−) y nitratos

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(𝑁𝑂3−). El NTK se cuantifica como nitrógeno orgánico y amoniacal (𝑁𝐻4+). Los compuestos gaseosos formados no son fácilmente mensurables porque no son accesibles a la biomasa sino liberados a la atmosfera, por lo cual el balance de nitrógeno que se presenta a continuación no es riguroso, sino que permite contemplar a manera general la dinámica de este elemento dentro del sistema. El nitrógeno total se define entonces como en la Ecuación 18.

𝑁𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑁𝑇𝐾 + 𝑁𝑂2− + 𝑁𝑂3− [ 18 ]

Balance de Nitrógeno Total

Partiendo de las ecuaciones 8 y 18, se tiene el desarrollo matemático del balance en las Ecuaciones 19 a la 22:

𝑁𝐶𝑁𝐶 = 𝑁𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑁𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑁𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 [ 19 ]

N𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 �𝑚𝑔 𝑁𝐿

� ∗ 𝑉𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝐿) − 𝑁𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 �𝑚𝑔 𝑁𝐿

� ∗ 𝑉𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜(𝐿) + 𝑁 𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 �𝑚𝑔 𝑁𝐿

�

∗ Δ𝑆𝑆𝑉 (𝐿) [20 ]

258 𝑚𝑔 𝑁𝐿

∗ 2 𝐿 − 482 𝑚𝑔 𝑁𝐿

∗ 2 𝐿 + 3413𝑚𝑔 𝑁𝐿

∗ 2 x 10−5 𝐿 = −448 𝑚𝑔 𝑁 [ 21 ]

𝑁𝐶𝑁𝐶 = 448 𝑚𝑔 𝑁 [ 22]

De los resultados se observa que la concentración de nitrógeno fue mayor en el clarificado que en alimento, esto se puede explicar porque el proceso de lodos activos dentro de los bioreactores escala laboratorio presentaron fases aireadas y no aireadas dentro del mismo tanque, por lo cual dada la alta presencia de DBO en el agua residual es posible que durante la sedimentación se presentaran los procesos de nitrificación y desnitrificación.

Carbono Total El carbono que entra al sistema de lodos activos es usado como sustrato por la biomasa para producir energía y generar nueva biomasa. Como resultado de estos procesos, el carbono sale del sistema como 𝐶𝑂2 a causa de la respiración microbiana, se acumula en los lodos por la generación de nuevas células y puede permanecer en el clarificado como materia orgánica disuelta. En procesos de lodos activados aerobios las bacterias remueven el carbón orgánico a través de la reacción que se muestra a continuación (Prunty, et. al., 2010). 𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑂𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 + 𝑂2 + 𝑁𝐻42+ + 𝑃 ⟶𝑁𝑢𝑒𝑣𝑎 𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 + 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 (Gray, 2004)

El carbono total se midió a través del análisis de CT por incineración de las muestras líquidas, mientras que la muestra de lodo fue centrifugada para pasar por la cámara de combustión de sólidos. La concentración de carbono en el lodo se calculó a través de una suma ponderada con la humedad, entre los lodos centrifugados sólidos y el sobrenadante incinerado como líquido. La Tabla 5 contiene los resultados dimensionalmente consistentes

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Tabla 5 Resultados experimentales para el balance de masa de carbono sobre el lodo

Muestra Carbono total (mg C/L)

Humedad (%)

Lodo centrifugado 215 5 Líquido sobrenadante 2970 95

Concentración total de carbono en los lodos se determina como se muestra en la Ecuación 23:

𝐶𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 = 𝐶𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑓𝑢𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠 ∗ �1 −𝐻𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠

100� + 𝐶𝑆𝑜𝑏𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎𝑛𝑡𝑒 ∗

𝐻𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠100

= 215 ∗ (1 − 0.95) + 2970 ∗ 0.95 = 2833 𝑚𝑔 𝐶𝐿

[ 23]

Balance de Carbono Total

Partiendo de las Ecuaciones 9 y 23 se muestra el balance de carbono en las Ecuaciones 24 a la 26:

𝐶𝐶𝑁𝐶 = 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 �𝑚𝑔 𝐶𝐿

� ∗ 𝑉𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜[𝐿] − 𝐶𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 �𝑚𝑔 𝐶𝐿

� ∗ 𝑉𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜[(𝐿)]

+ 𝐶𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 �𝑚𝑔 𝐶𝐿

� ∗ Δ𝑆𝑆𝑉[ (𝐿)] [ 24 ]

𝐶𝐶𝑁𝐶 = 3358 𝑚𝑔 𝐶𝐿

∗ 2 𝐿 − 2771 𝑚𝑔 𝐶𝐿

∗ 2 𝐿 + 2833𝑚𝑔 𝐶𝐿

∗ 2 x 10−5 𝐿 [ 25 ]

𝐶𝐶𝑁𝐶 = 1174 𝑚𝑔 𝐶 [ 26 ]

Del balance de carbono, se evidencia que el sistema de lodos activos logra consumir y remover de la fuente de carbono del agua industrial a pesar de ser compuesto complejos. Por otro lado, este resultado indica que el carbono es acumulado dentro del sistema lo cual se asocia a la biomasa y a su metabolismo.

Sólidos suspendidos volátiles

Adicional al balance sobre macronutrientes, se tuvo la posibilidad de registrar el balance sobre los SSV, asociados a sustancias orgánicas volátiles como por ejemplo biomasa.

𝑆𝑆𝑉𝐶𝑁𝐶 = SSV𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 − 𝑆𝑆𝑉𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 + SSV𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 [ 27 ]

𝑆𝑆𝑉𝐶𝑁𝐶 = 130 𝑚𝑔 𝑆𝑆𝑉

𝐿∗ 2 𝐿 − 109

𝑚𝑔 SSV𝐿

∗ 2 𝐿 + 588 𝑚𝑔 SSV [ 28 ]

𝑆𝑆𝑉𝐶𝑁𝐶 = 630 𝑚𝑔 SSV [ 29 ]

Este resultado indica que se acumulan o consumen sólidos suspendidos volátiles en el sistema. Las células capturan y acumulan partículas, gases y sustancias químicas líquidas. También las incorporan a sus organelos y biomoléculas, y generan nueva biomasa, o las pueden metabolizar

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y transformar para producir energía. En estos procesos se pueden dar cambios de fase y retención de elementos en el lodo. Además, esta es la función de los tratamientos por lodos activados, donde las células acumulan de diversas formas sustancias suspendidas difíciles de retirar por otros procesos físico-químicos, y luego al sedimentar las arrastran consigo retirándolas del clarificado.

5.2.3 Ensayos complementarios A causa del inconveniente del suministro de aire comprimido, se hizo evidente que en el tiempo programado para este estudio, una adaptación completa de los lodos activos no se podría culminar. Por ende, se decidió realizar un ensayo adicional paralelo a R1 y a R2, con lodo y biopelícula que se forma en la torre de enfriamiento de la empresa, con el fin de evaluar la viabilidad, el grado de adaptación y propiedades cómo inóculo de esta microbiota. Esta biopelícula tenía una humedad de 70 % y un 37 % de sólidos inorgánicos fijos, pero aunque muestre gran contenido orgánico volátil, no se puede asegurar que sea microbiológico, es decir podía contener mucha materia inerte que finalmente podría causar problemas operacionales a un bioreactor inoculado con él con el riesgo de no generar remoción de carga orgánica. Este ensayo se llevó a cabo en un tercer bioreactor R3, el cual operó por dos meses con un TRH de 6 horas y un tiempo de sedimentación de 2 horas, el alimento de este sistema consistió de Agua Industrial con adición de nitrógeno. El sistema operó aproximadamente dos meses, durante este tiempo el lodo permaneció de un color gris oscuro. Al comienzo no se evidenciaba la formación de flóculos y al transcurrir el experimento, pasaron de ser pequeños, muy dispersos y suspendidos, a formar flóculos grandes no tan firmes, de color claro, que bajaban relativamente más compactos a los 15 días de operación. En todo tiempo se observó un clarificado oscuro y turbio que no logró separarse satisfactoriamente del sólido. Sin embargo, en las condiciones de mejor floculación, se lograron remociones de DQO del 57 y 66 %, frente a una carga en el alimento de 25714 mg O2/L. Al continuar con el ensayo se observó una disminución repentina en el tamaño de los flóculos y la cantidad de lodos, acompañado por un aumento de la turbiedad del clarificado. El sistema decayó a tal punto, que no se volvió a observar lodos sedimentados o suspendidos dentro del reactor aun después de nuevas adiciones de inóculo. Esto puede explicarse por los cambios abruptos de la carga comentados anteriormente, que pudo ocasionar que los lodos se disolvieran en el sistema o deflocularan, fenómeno en el que los flóculos pierden su cohesión por ruptura de los exopolímeros, por contacto con altas concentraciones de contaminantes o sustancias tóxicas (Jenkins, Richard, & Daigger, 2004) como lo pudo ser el Agua Industrial, o simplemente por las características de mala sedimentación de la microbiota de este sistema, como se analiza en la sección de microbiología. La última remoción de DQO reportada fue del 8 %, frente a una carga de DQO que cabe resalar por ser la mayor registrada en el proyecto: 40170 mg O2/L. Por su parte, los resultados del montaje del beaker se presentan en la sección de estudios microbiológicos.

5.2.4 Estudios microbiológicos complementarios A continuación se muestran los resultados microbiológicos obtenidos a partir de las siembras, identificación de morfotipos (macroscópico), recuento y microscopia por tinción de Gram. Las

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fotos, recuentos y detalles de los resultados se presentan en el Anexo 8. El análisis microbiológico fue realizado a 53 colonias de microorganismos o combinaciones de microorganismos obtenidos a lo largo del proyecto. En las colonias analizadas se evidenció que los bacilos Gram negativos fueron el principal tipo de bacteria presente, ya que hubo un crecimiento del 60 % de las colonias, seguido por las levaduras con presencia en el 36 % de las colonias y los hongos con un 17 %. Estos resultados concuerdan con la literatura en donde los microorganismos esperados son, Pseudomonas y Acinetobacter; bacilos Gram negativos géneros muy recurrentes en los lodos activados de tratamiento de aguas industriales. Así mismo, son microorganismos utilizados para remediación de flujos con contaminantes orgánicos de cadenas desde 6 y 9 carbonos, donde se ubica el varsol, así que es posible que varios de los bacilos Gram negativos encontrados pertenezcan a alguno de estos dos géneros. El otro microorganismo esperado era coco-bacilos Gram positivos del genero Rhodococcus que también es usado para remoción de contaminantes desde 6 carbonos. Los coco-bacilos Gram positivos fueron menos frecuentes pero se observaron algunas colonias de este morfotipo en las tres siembras de R1 y R2, así que existe la posibilidad de contar con microorganismos del género Rhodococcus. Por su parte, las levaduras y hongos son microorganismos de metabolismos complejos con enzimas diferentes a las de las bacterias, y pueden ser usados para remoción de contaminantes peligrosos y complejos, así que es satisfactorio y coherente encontrar estos microorganismos. La morfología macroscópica encontrada es similar con géneros Penicillium y Cephalosporium, géneros encontrados en tratamiento de aguas residuales industriales con sustancias normalmente tóxicas para la mayoría de microorganismos. De todos los microorganismos observados, se deben realizar más análisis bioquímicos y moleculares para confirmar los géneros y especies encontradas en este estudio. Las muestras tomadas el 4 de junio del 2013 de los reactores R1 y R2, ambos en etapa 40%, presentaron colonias semi-redondas gelatinosas de bacilos Gram negativos medianos con grupos de levaduras. También se observaron colonias redondas con estrías de bacilos Gram positivos más grandes en compañía de levaduras. Por su parte, R3 mostró crecimiento de bacilos Gram negativos y positivos con levaduras, en colonias gelatinosas casi incoloras. Esas colonias con morfotipos macro semi-redondos, gelatinosos y casi incoloras fueron persistentes durante todo el proceso encontrándolas en el 50% de las cajas sembradas en el proyecto. Estas formaciones gelatinosas se pueden relacionar a bacterias productoras de exopolímeros como las Zooglea. Como se explicó en la introducción, estas bacterias generan biopolímeros extracelulares fundamentales para la formación de los flóculos y la buena sedimentabilidad y se observa que son microorganismos que se consolidan al avanzar en las etapas de adaptación. Estas formaciones de colonias redondas y gelatinosas se observaron también en las siembras realizadas el 24 de abril de 2013 del reactor R2 que en ese momento se encontraba en etapa 10 %. En esta muestra se encontraron 291 UFC/mL de bacilos Gram negativos de tamaño similar a los encontrados el 4 de junio, pero esta vez acompañados por bacterias de morfotipo coco Gram positivos. Estas colonias, junto con un hongo de la biopelícula, fueron las únicas que se lograron recuperar después de la incubación a 35 °C, por lo que se infiere que puedan ser hongos y bacterias psicrófilas facultativas o mesófilas, con tiempo de incubación de más de una semana. Todas las demás muestras, incluyendo R1, R3, biopelícula y lodo de la torre, no presentaron crecimiento en la incubación a 35 °C pero sí en la incubación a 20 ºC. Además, las colonias recuperadas el 4 de junio, al igual que todas las cajas de todas las fechas del proyecto que fueron guardadas a 4 ºC, mostraron crecimiento en la nevera. Con esto se puede concluir que los microorganismos analizados en este proyecto son en su mayoría psicrófilos obligados con

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temperaturas óptimas de crecimiento entre los 15 y 18 °C. Por último, en esta siembra se pudo observar que los reactores en adaptación fueron sometidos a cambios importantes en la microbiota ya que, por ejemplo, estos bacilos y cocos psicrófilos facultativos o mesófilos recuperados el 24 de abril, sólo se observaron en la muestra de R2 en etapa 10 %, mientras que en R1 en una etapa más avanzada (etapa 50 %) ya no se lograron recuperar estas cepas. Las siembras descritas de R1 y R2 del 4 de junio y 24 de abril del 2013 concuerdan con los microorganismos encontrados en R1 y R2 el 1 de marzo de ese año, cuando se encontraban en las etapas 20 y 0 % respectivamente. Se encontraron bacterias con colonias semi-redondas, la mayoría gelatinosas, conformadas mayoritariamente por bacilos Gram negativos en compañía de cocos Gram positivos, de nuevo con tiempos de incubación mayores a una semana. En la muestra del reactor R2 alimentado solo con Agua Uniandes, azúcar y urea, junto con los morfotipos ya mencionados, aparecen bacilos Gram negativos de otros tamaños y bacilos Gram positivos. Es importante observar que en estas etapas iniciales no es tan evidente la presencia de hongos y levaduras como lo fue en siembras de etapas más avanzadas del proyecto por el contrario se observó más variedad en morfotipos microscópicos de bacterias a bajas cargas de Agua Industrial. La siembra realizada el 1 de marzo de 2013 del reactor Uniandes del cual se tomó el inoculo, presentó también bacilos Gram negativos en todas las colonias recuperadas, en compañía de bacilos Gram negativos de morfotipos diferentes, bacilos Gram positivos relativamente grandes, cocos Gram positivos y hongos de un morfotipo que no fue recurrente en las demás siembras del proyecto. Con esto se evidenció la gran variedad de morfotipos que puede aportar el inoculo. Por último se muestran los resultados del experimento adicional de alimento 100 % Agua Industrial en un beaker. En éste se observó que al exponer el inoculo de la PTAR Uniandes a 100 % agua industrial en aireación continua, los microorganismos disminuían su actividad metabólica en las primeras horas para luego mostrar algunas colonias de levaduras y hongos, acompañados por bacilos Gram negativos pequeños en las siembras realizadas a las 6 horas de operación. A las 19 horas de aireación fue más evidente la presencia de estos bacilos Gram negativos pequeños formando 78 colonias redondas beige un poco gelatinosas junto con algunas colonias de diferentes levaduras. A partir de estos últimos resultados se plantea la teoría que al avanzar en las etapas de adaptación desaparece parte de la variedad y numero de bacterias al tiempo que se fortalecen las colonias de bacilos Gram negativos en matrices gelatinosas y microorganismos hongos. La aparición y consolidación del género fungi concuerda con lo explicado en la introducción, ya que la aparición de hongos o levaduras en los lodos activados está relacionado a procesos con tóxicos o altas cargas orgánicas, y aunque los hongos y levaduras permiten degradar y remover las sustancias complejas en el alimento, están asociados a problemas de “bulking” y mala sedimentación (ver Introducción). De hecho, estos microorganismos “hongos” encontrados en los reactores en adaptación, pueden ser autóctonos del agua de la empresa y su presencia se vería reflejada en mejores remociones. Esto se observó de las muestras realizadas al Agua Industrial a la entrada del proceso biológico el 26 de julio de 2012 junto a las muestras del 4 de junio de 2013 de lodo y biopelícula creados en la torre de enfriamiento en la empresa. Se obtuvo que todas las cajas sembradas con lodo o biopelícula tenían un crecimiento de hongos de diferentes morfotipos acompañados de bacilos

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Gram negativos, cocos Gram positivos o levaduras. Por su parte, el agua a la entrada del tratamiento biológico muestra en su mayoría bacilos Gram negativos y presencia de levaduras con cocos y bacilos Gram positivos. Así se podría atribuir al Agua Industrial el aporte de hongos, levaduras y bacilos Gram negativos que se consolidan a través del proceso de adaptación. Por último, los microorganismos sembrados de los reactores R1, R2 y del inóculo mostraron un crecimiento más lento que los hongos y levaduras de las muestras de biopelícula, lodo de la torre y R3, pero todas las muestras tienen un periodo de incubación igual o mayor a una semana. Estos tiempos prolongados de crecimiento concuerdan con la experiencia obtenida en el laboratorio donde se observó que el tiempo promedio para estabilizar los lodos en cuanto a formación de flocs y calidad de sedimentación en cada etapa era de más de una semana. Además la recuperación del sistema tomo una o varias semana después de eventos y fallas en la operación de los reactores. Como se observó en la Figura 3, el sistema nunca cae por debajo del 20 % de remoción y en los periodos de alimento con carga moderada y estable el sistema tiende a recuperarse en cuanto a remoción y calidad de flocs aunque tome varias semanas. Es por esto que en el escalamiento la empresa debe tener en cuenta que luego de problemas operativos el sistema podría recuperarse pero puede tardar más de una semana donde se deben tener la condiciones en el reactor lo más estables posible porque adicionar más cambios o problemas de operación puede perjudicar la remoción considerablemente como se observó en el evento al final de la Fase I Según lo observado en el proceso de adaptación y los bajos valores obtenidos de IVL, la formación de flóculos en la mayor parte del proyecto fue tendiendo a los flóculos pequeños y dispersos que sedimentaban rápidamente, en forma muy turbulenta y dejando partículas suspendidas en el clarificado para luego compactarse en el sedimento. Este comportamiento concuerda con el problema de sedimentación descrito en la introducción llamado crecimiento disperso y se da por aguas con altas cargas de DBO, sustancias toxicas o alta variabilidad del agua, como fue el caso del Agua Industrial.

5.3 Protocolo de adaptación de lodos A partir de los resultados obtenidos durante el proceso de aclimatización desarrollado en este estudio, se encontró que la técnica de adaptación de lodos que se formuló fue satisfactoria para la aclimatización de lodos convencionales de una PTAR de agua institucional de muy baja carga orgánica. Por lo anterior, se concluye que este procedimiento puede ser usado para adaptar biomasa de lodos activados a aguas residuales con alta cargas de DQO, como lo son los efluentes industriales. El protocolo de adaptación de lodos activos al agua residual de la empresa Producciones Químicas S.A. se expone a continuación. El proceso de aclimatización está proyectado por etapas de adaptación que resultan de la combinación de un nivel de DQO y el TRH. Los niveles de DQO consisten en variaciones progresivas de la cantidad de carga de DQO a la que son expuestos los lodos hasta alcanzar la Carga Objetivo. El TRH es un parámetro de operación que se ajusta de acuerdo a la carga orgánica, como se discute más adelante. Las etapas se componen de ciclos, y cada ciclo dura una semana y media, período en el cual se consideró que el sistema alcanzaba una operación estable en cuanto a la adaptación de la microbiota. Así, cada ciclo comprende de un número de secuencias de operación determinado por el TRH más TS. De ahora en adelante, se hará

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referencia al agua con la cual se realizará la mezcla de alimento, que debe ser el agua residual alimento que recibían los lodos en su anterior bioreactor, como Agua Externa. Al inicio, durante y final de cada ciclo se tomarán muestras y se realizaron análisis químicos pertinentes de monitoreo. A continuación se presenta las generalidades del proceso de adaptación, la rutina diaria y un diagrama del protocolo del proceso.

5.3.1 Generalidades Para iniciar el proceso de adaptación de lodos se recomienda adquirir un inóculo (lodo a adaptar) de una PTAR de buen desempeño y que de operación estable, lo que presupone que los lodos se encuentran adaptados y tratan efectivamente el efluente de dicha PTAR. Se debe procurar conocer las parámetros de operación del inóculo que se va a usar, cómo el TRH, TS y edad de lodos para implementarlos. En caso de desconocer esta información utilizar los valores que se indican como sugerencia en este protocolo. Además, como es necesario la preparación de la mezcla de alimento se enfatiza en que el inóculo y el Agua Externa deben provenir de la misma PTAR, y si es posible de una empresa con industria similar a la trabajada por Producciones Químicas S.A. Adicionalmente, se ha de procurar caracterizar los macronutrientes del el Agua Externa, para identificar si es necesario adicionar de suplementos de estos en la mezcla de alimento, tal y como se especificó en un principio. En general para el arranque y operación del bioreactor es necesario tener en cuenta las siguientes indicaciones sobre los parámetros operacionales:

• El sistema es un Secuential batch reactor (SBR). • El bioreactor debe ser inoculado o sembrado con una cantidad de lodos microbianos, de

tal forma que la concentración de estos este entre 3000 a 6000 mg SSV/L. • El tiempo de aireación está determinado por el TRH, el cual para iniciar puede

establecerse de 4 horas. • La cantidad de oxígeno disuelto en el sistema debe ser de 1.5 a 3 mg O2/L. • El tiempo de sedimentación (TS) sugerido inicial es de 2 horas.

Uno de los aspectos más importantes de la adaptación o aclimatización de lodos, es que los cambios que se generen sobre alguno de los parámetros de operación del sistema deben permanecer como mínimo un ciclo, para que el sistema se logre estabilizar nuevamente. Y no se debe hacer más de un cambio a la vez, con el fin de evitar interferencia entre la influencia de los diferentes parámetros de operación o aumento de fatiga en la microbiota. Es importante resaltar, que en el momento de aplicar un cambio sobre alguna de las variables del sistema, se puede llegar a presentar espuma, la cual puede inducir derrames del reactor y pérdida de lodos. No obstante la frecuencia y volumen de espuma producida disminuye con el paso de los días al mejorar la calidad de los lodos. Por otro lado, Además de los parámetros principales, algunos de los indicadores de la adaptación de lodos son: el color de lodo, calidad del clarificado y disminución de espuma. Los colores claros en el lodo indican una buena aireación. Un clarificado sin partículas suspendidas demuestra buena sedimentabilidad. Es indispensable asegurarse de mantener constante el nivel de biomasa dentro del reactor. Por esta razón se establece que se debe trabajar con dos reactores simultáneamente, esto con el fin de tener en paralelo dos procesos de aclimatización, donde el reactor de respaldo (R2) opere

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atrasado una etapa de adaptación con respecto a R1, de modo que si ocurre algún problema con la etapa en la que se encuentra R1, se tenga un reactor de respaldo, de cual también se pueda disponer para reponer lodo a R1. El TRH y el TS son condiciones de operación que influyen significativamente en el rendimiento del proceso, de modo que si los valores propuestos en este protocolo no resultan los más adecuados para el sistema, se deben de ajustar. El TRH está asociado a la magnitud de la carga de DQO a la que son expuestas los lodos, se recomienda que al momento en que el valor de la carga de DQO en el alimento se incremente el doble o más, se aumente el TRH preferiblemente de a una hora hasta que se encuentre experimentalmente un TRH favorable. Respecto al TS, el cuál es influenciado por la sedimentabilidad y las características del lodo, se debe procurar que sea el suficiente para fomentar una buena calidad del clarificado.

5.3.2. Rutina Diaria Es importante llevar un registro del funcionamiento del bioreactor con el fin de identificar escenarios que favorecen o no la remoción de la carga orgánica y el buen desempeño de los lodos. Los datos que se recomienda tener en una hoja de registro son: Descripción cualitativa de los lodos (color, sedimentabilidad y flóculos) y del clarificado (turbiedad, etc) así como parámetros cuantitativos como la DQO y pH del alimento y del clarificado, el oxígeno disuelto, sólidos sedimentables y sólidos suspendidos volátiles, IVL, así como las demás condiciones de operación del sistema. Sistemáticamente, y en lo posible todos los días, se revisan los reactores y se llena la hoja de registro. Es fundamental cerciorarse del nivel de lodos, si se ha de recuperar lodo que haya sido arrastrado por la espuma o escapado durante la descarga, estos deben adicionarse después del proceso de sedimentación o durante la fase aireada. Se debe procurar que la mezcla de alimento sea fresca y con la carga correspondiente a la etapa de adaptación. El Agua industrial carece de nitrógeno así que, después de revisar los nutrientes del agua Externa, y se determine la adición de una fuente de nitrógeno, se debe agregar en una relación DQO/N igual a 20 según el cálculo de la Ecuación 30.

𝐷𝑄𝑂𝐴𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 �𝑚𝑔𝑂2𝐿� ∗ 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜[(𝐿)]

20 �𝑚𝑔 𝑂2𝑚𝑔 𝑁

�� = 𝑁 [𝑚𝑔] [30]

Los análisis físico-químicos a realizar durante un ciclo son: DQO, SSV y sólidos sedimentables. La frecuencia de los análisis para un ciclo se propone en la Tabla 6.

Tabla 6. Frecuencia y toma de muestra de los análisis

Parámetro Lugar de muestreo Periodicidad

DQO Alimento Inicio y final de ciclo* Clarificado Inicio y final de ciclo

pH Alimento Inicio y final de ciclo * Clarificado Inicio y final de ciclo

Sólidos sedimentables Reactor aireado Inicio, intermedio y final de ciclo Sólidos suspendidos volátiles Reactor aireado Inicio, intermedio y final de ciclo O2 disuelto Reactor aireado Inicio, intermedio y final de ciclo * Cada vez que se cambie la carga del alimento

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5.3.3 Proceso de Adaptación de Lodos

5.3.3.1 Cálculos preliminares

El modelo de adaptación de lodos consiste de diez niveles de DQO. El cómputo del valor de la variación de la carga correspondiente al 10% de la carga objetivo se muestra en la Ecuación 31, donde se calcula la diferencia de las cargas de DQO de la mezcla de alimento. Siendo la Carga Objetivo la carga total del Agua Industrial y la carga inicial la carga del Agua Externa.

Carga de incremento = (Carga Objetivo − Carga Inicial)

10 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙𝑒𝑠 [31]

La carga de DQO (mg O2/L) de la variación por nivel se define entonces como:

Δ𝐷𝑄𝑂𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 =𝐷𝑄𝑂𝐼𝑛𝑑 − 𝐷𝑄𝑂𝐸𝑥𝑡

10 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙𝑒𝑠 [32]

Partiendo de la Ecuación 32, en seguida se presenta el sistema de Ecuaciones 33 a 35 que definen matemáticamente la mezcla del alimento.

Relación de la carga másica de DQO por nivel

Carga Alim,nivel = (x)CargaExt,nivel + (1 − x)CargaInd,nivel [33]

VAlim ∗ DQOAlim,nivel = x(VExt ∗ DQOExt) + (1 − x)(VInd ∗ DQOInd) [34]

Relación de volúmenes en la mezcla

VAlim = VExt + VInd [35] Dónde:

CargaAlim,nivel: Carga de DQO en el alimento según el nivel de DQO (mg DQO). CargaExt,nivel: Carga de DQO del agua externa según el nivel de DQO (mg DQO). CargaInd,nivel: Carga de DQO del agua industrial según el nivel de DQO (mg DQO) DQOAlim,nivel: Carga de DQO del alimento según el nivel de DQO (mg DQO/L). DQOExt: Carga de DQO del agua externa (mg DQO/L). DQOInd: Carga de DQO del agua industrial (mg DQO/L). VAlim: Volumen de la mezcla de alimento del reactor (L). VExt: Volumen de agua externa en la mezcla de alimento según el nivel de DQO (L). VInd: Volumen de agua industrial en la mezcla de alimento según el nivel de DQO (L). x: Fracción másica de la carga de DQO del agua externa según el nivel de DQO.

La DQOAlim,nivel, comienza en la primera etapa de adaptación con el valor 𝐷𝑄𝑂𝐸𝑥𝑡 + Δ𝐷𝑄𝑂𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 y al avanzar en los niveles se incrementa (o disminuye según qué agua tenga mayor carga) en Δ𝐷𝑄𝑂𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 hasta que en el nivel 10 se llegue a 𝐷𝑄𝑂𝐼𝑛𝑑.

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La fracción másica x, está definida según el nivel de DQO e indica la proporción entre las masas del Agua Industrial y el Agua Externa en la mezcla de alimento en cada nivel de adaptación. Para el nivel uno x tiene un valor de 1 y disminuye en 0.1 hasta llegar a cero en el nivel diez. Conviene advertir que dado el caso en que el Agua Externa y el Agua Industrial posean la misma carga de DQO, el Δ𝐷𝑄𝑂𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 sería igual a cero, de modo que el proceso de adaptación se haría con una carga de DQO constante en cada nivel correspondiente a la carga objetivo y lo que cambiará será la masa que aporta cada agua.

5.3.3.2 Parámetros de desempeño Los parámetros a evaluar para determinar si se avanza o no de etapa son: el porcentaje de remoción de DQO, el crecimiento de los lodos y la sedimentabilidad, como se indica a continuación.

Remoción de DQO El porcentaje de remoción se determina a través de la Ecuación 1. En general, del comportamiento observado en el rendimiento del bioreactor piloto, se determinó que los avances de etapas de adaptación realizadas sobre una remoción mayor o igual al 40 %, fueron favorables. Por esto se establece el valor para calificar la remoción como buena o mala, es 40 %. Si la remoción es mayor o igual al 40 % se dice que la etapa tiene una remoción favorable.

Crecimiento de los lodos

En general, la biomasa dentro de un sistema se cuantifica por medio de los sólidos suspendidos volátiles (SSV). La cantidad mínima de biomasa dentro de un sistema de lodos activos se recomienda de 3000 mg SSV /L, y se considera como límite superior una concentración de 6000 mg SSV/L. De modo que un valor inferior al mínimo indica una disminución en la biomasa y un valor mayor al límite superior indica un exceso de lodos dentro del sistema. En la tabla 7, se consigna el valor de las condiciones del parámetro y las acciones a tomar para cada escenario.

Tabla 7. Detalle del parámetro concentración de biomasa Parámetro Estado Condición Acción Descripción

Crecimiento de lodo

(mg SSV /L)

El lodo disminuye

SSV < 3000 mg/L Adicionar Biomasa

Reincorporar al sistema el volumen de lodo sedimentado que se venía trabajando tal que los SSV queden en el rango entre 3000 y 6000 mg/L

El lodo se mantiene estable

3000 mg/L < SSV > 6000 mg/L

- -

El lodo aumenta

SSV > 6000 mg/L Retirar Biomasa

Sacar el volumen de lodo sedimentado en exceso tal que los SSV queden en el rango entre 3000 y 6000 mg/L

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Sedimentabilidad

La sedimentabilidad se cualifica según el IVL y tamaño de los flóculos. En la Tabla 8 se especifica en detalle las condiciones de una buena o mala sedimentabilidad.

Tabla 8 Detalle del parámetro sedimentabilidad

Parámetro Sedimentabilidad

Estado Buena Mala

Condición

IVL 40 < IVL < 200 IVL < 40 o IVL > 200

Flóculos

Flóculos con un diámetro entre 0,4 y 1,5 cm de forma esponjosa y compacta que sedimenta sin dejar sólidos suspendidos en el clarificado.

Flóculos de un diámetro menor a 0,4 cm de forma esférica arenosa que no compacta dejando sólidos suspendidos en el clarificado (pin floc); o diámetro mayor a 1,5 cm apariencia cremosa y tiende a flotar (bulking). *En la foto pin floc

Sedimentabilidad IVL y flóculos de buen

tamaño IVL o flóculos malos

Acción - Revisar aireación

Descripción -

Revisar que la turbulencia generada por el sistema de aireación no sea tan fuerte que rompa los flóculos, de ser así bajar y ajustar la potencia del sistema siempre y cuando el oxígeno disuelto en el periodo de aireación este en el rango recomendado. Si el oxígeno disuelto es inferior al establecido, aumentar la potencia de aireación.

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5.3.3.3 Ejecución El protocolo construido en este trabajo, presenta una guía para el seguimiento y desarrollo de la adaptación con base en los parámetros descritos anteriormente. A continuación se hace una descripción del diagrama del proceso de adaptación de lodos que se muestra en la Figura 5. Al comenzar el proceso de adaptación se parte de la primera etapa relacionada al primer nivel de DQO. Siempre se ha de monitorear los parámetros de desempeño durante cada ciclo de operación. Antes de finalizar un ciclo se evalúa la remoción de DQO, si esta logra ser mayor o igual al 40 %, y el crecimiento de los lodos se mantiene estable o aumenta, y al mismo tiempo se tiene un buena sedimentabilidad, el proceso de adaptación podría avanzar a la próxima etapa con el siguiente nivel de DQO. Si estas condiciones se siguen manteniendo para los tres parámetros a lo largo de las etapas, el proceso avanzaría hasta alcanzar una exposición de los lodos a la totalidad de la Carga Objetivo. Bajo este escenario, el TRH se ajustarían solo cuando la carga de DQO del nuevo ciclo sea mayor o igual al doble de la carga del ciclo que acaba de terminarse. Adviértase entonces, que la única manera de avanzar en el proceso de adaptación de lodos, consiste en que los tres parámetros de desempeño sean favorables. En cualquier otro caso, el proceso de adaptación no puede avanzar de nivel y se deben realizar los ajustes y revisiones sugeridas, permaneciendo en la misma etapa un ciclo más para luego volver a evaluar el sistema. En caso de que este escenario -no avanzar de nivel de DQO- se repita por dos ciclos consecutivos dentro de una misma etapa de adaptación y se deba entrar a un tercer ciclo bajo la misma condición, se proporcionan alternativas de solución a través de la formulación de preguntas de control para diagnosticar el sistema. Llegado a este punto, se debe mencionar que durante la primera etapa de adaptación, al menos los primeros tres ciclos, se puede presentar una remoción no significativa. Razón por la cual se señala que se han de esperar seis ciclos antes de optar por la valoración de las medidas sugeridas. Si finalmente, se encontró que el proceso de adaptación no arranca o se queda estancado, se recomienda revisar si existe inhibición de los microorganismos por constituyentes del agua residual, o si han ocurrido cambios abruptos en alguno de los parámetros de operación del sistema. En última instancia, se sugiere buscar otro inóculo para realizar el proceso. En todo caso, el proceso de adaptación se termina única y exclusivamente cuando al alcanzar la Carga Objetivo el sistema haya demostrado mantener los tres parámetros de interés en buenas condiciones.

5.3.4 Recomendaciones para escalamiento De los resultados obtenidos durante el proceso de adaptación, también se compiló información práctica y útil para una adecuada aplicación y puesta en marcha de este proceso a nivel industrial. Para esto es necesario seguir el protocolo para adaptación de lodos, adicionando las recomendaciones para escalamiento enumeradas a continuación. Finalmente las condiciones de operación del reactor cuando termine la adaptación y comience su operación normal serán definidos como resultado de la experiencia de adaptación siguiendo el protocolo. Si se observa detenidamente, en esta sección se entregan las recomendaciones para comenzar el proceso, y el diseño del protocolo es una guía para ir acomodando los parámetros según como responda el sistema.

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Diagrama del Proceso de Adaptación de Lodos

*1 Si se encuentra en la primera etapa de adaptación omitir este aviso solo una vez y reinicie la cuenta de ciclos. Si luego de otros tres ciclos en esta etapa continua con remoción menor al 40 % siga las instrucciones del aviso.*2 Para revisar la inhibición se recomienda revisar la composición del efluente, la carga de DQO y la disolución usada durante el ciclo. Finalmente se recomienda usar un inóculo diferente.

INIC

IO

FIN

Mayor o igual al 40 %

Bajar la carga de DQO en

10 %

Añadir un 25 % de exceso de nitrógeno

Revisar inhibición y realizar ajustes pertinentes (*2)

Menor al 40 %

Buena

El lodo disminuye

El lodo se mantiene estable

El lodo aumenta

El lodo se mantiene estable

El lodo aumenta

Crecimiento del lodo

Mala

Buena

Retirar biomasa

Crecimiento del Lodo

Remoción de DQO (%)

Sedimentabilidad

Sedimentabilidad

Adicionar biomasa

Retirar biomasa

Revisaraireación

Esperar un ciclo y evaluar el

proceso

Aumentar el TRH en 1 hora

Aumentar la carga de DQO en 10%

Disminuir el TRH en 1 hora

¿Ha cambiado la carga de DQO antes de empezar los

dos últimos ciclos?

¿La carga de DQO es mayor o igual al doble de la que tenía al

iniciar el actual TRH?

¿Adicionó nitrógeno en

exceso en el ciclo anterior?

¿Aumentó el TRH en el ciclo inmediatamente anterior ?

¿La carga de DQO actual es igual a la carga objetivo ?

NO

SI

NO

SI

SI

SI SINO

NO

NO

Terminar el proceso de adaptación de

lodos

Acción Final

Peguntas de control , sobre las condiciones

de operación

Convenciones

Parámetro a revisar

Estado del parámetro

AcciónIntermedia

Si va a entrar al tercer ciclo en una misma etapa de adaptación con esta condición, seguir la línea punteada al final (*1)

Continuar en la misma etapa de adaptación

Figura 5. Diagrama del protocolo de adaptación de lodos

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Antes de comenzar, se recomienda detectar la fuente de la variación de la carga orgánica del agua residual de la empresa y corregirla. Se sugiere revisar la distribución de caudales del sistema homogenizador a la entrada de la PTAR, tener los equipos del tratamiento primario en condiciones óptimas de operación y detectar descargas puntuales problemáticas. Hay que tener presente que esto es requisito fundamental para el funcionamiento del bioreactor. En primer lugar, para extrapolar el proceso de adaptación de lodos a la empresa Producciones Químicas S.A., se analizaron los requerimientos de diseño y de caudales para llegar a la recomendación de adecuar el bioreactor del tratamiento secundario de la empresa (con 2 m de diámetro y 2 m de alto) como un SBR, de tal forma que se puede operar por secuencias intermitentes como se realizó en la fase experimental de este trabajo. De aquí en adelante se hará referencia al bioreactor de la empresa como SBR Para el proceso de adaptación se propone usar este SBR como el reactor principal, ya que si se comienza con reactores pequeños escala laboratorio, va a ser más dispendioso operacional y temporalmente producir la cantidad de lodos suficientes para operar el SBR. Sin embargo, esta opción plantea tres grandes retos, el primero es conseguir una cantidad de lodos suficiente para inocular el sistema. El segundo es adquirir el agua con la cual se haría las mezclas de alimento, Agua Externa, la cual debe ser el agua a la que estaban acostumbrados los microorganismos. El tercer reto y tal vez el más complicado, es que se va a generar un efluente del proceso de adaptación compuesto por la mezcla del agua residual de la empresa más el Agua Externa, que no deja de ser un agua residual probablemente no caracterizada en su totalidad, y como actualmente y durante la adaptación Producciones Químicas S.A. será una empresa cero vertimientos, tendría que recircular este efluente a sus equipos de enfriamiento. Es por esto que se deben buscar alternativas para la disminución este flujo resultante. Entonces es necesario anotar unas consideraciones adicionales durante las recomendaciones de escalamiento del protocolo para solucionar los retos expuestos. Para llevar a cabo el proceso, es necesario seleccionar un volumen efectivo inicial pequeño, que le permita a la empresa inocular el SBR con una cantidad apropiada de microorganismo. Esta es una sugerencia para ser coherente con el poco volumen de lodo que se podría conseguir al principio. Para escogerlo, es importante que el nivel que alcanzan los lodos inoculados en sedimentación, quede a una altura apropiada sobre los difusores de aire para asegurar que el lodo se mezcle bien en el volumen efectivo, ya que si todo el lodo queda por debajo de los difusores siempre estarán allí sedimentados y entrarán en fases anóxicas y endógenas. Es claro que siempre se va a tener una masa de lodo sedimentada por debajo de la altura de los difusores, pero esta biomasa no se puede tomar en cuenta en la operación del SBR, solo se debe tomar para los cálculos, los sólidos que pueden quedar en contacto con el oxígeno y en suspensión en el momento de airear el tanque. Así, la muestra que se tomará para medir los SSV, se debe hacer de la mezcla de líquido y sólidos suspendidos en el momento de aireación, sin tomar los lodos sedimentados debajo de los difusores. Para la inoculación, el traslado del lodo se debe hacer en un recipiente limpio lleno hasta un poco más de la mitad, para dejar un espacio con aire que evite condiciones anóxicas durante el envío. Se debe enviar refrigerado a 4 ºC y en el menor tiempo posible. Al llegar a la empresa, el lodo debe ser colocado en el tanque de aireación inmediatamente, para comenzar a trabajarlos.

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La inoculación se hace adicionando la biomasa y una cantidad de alimento para que quede una mezcla con una concentración de sólidos suspendidos volátiles en el rango entre 3000 y 6000 mg/L. Si se cuenta con un volumen demasiado pequeño de lodos y no logren quedar a una altura apropiada de los difusores, se recomienda mantener los lodos en un tanque o reactor de diámetro menor que permita airear los lodos mientras se acumula la cantidad suficiente para inocular el SBR de la empresa, con el crecimiento de nueva biomasa en el reactor provisional y con nuevos envíos que se puedan hacer de lodo externo. Ya sea que se comience en un tanque pequeño mientras se acumula lodo, en un reactor piloto para adaptación de lodos en laboratorio, o en el SBR de la empresa, desde que se recibe la biomasa, inmediatamente se debe comenzar con el periodo de transición. Se define a la etapa de transición las primeras fechas en que el lodo se ajusta y estabiliza su crecimiento en el nuevo reactor: “la transferencia de lodos bien adaptados a un ambiente diferente, causa que la comunidad biótica sufra una fuerte transición para adaptarse al nuevo ambiente y condiciones de operación”, y se recomienda que sea de 2 a 3 edades le dodos (Van den Broeck, Van Impe, & Smets, 2009). Si no se tiene certeza de la edad de lodos de esa biomasa, a partir de los resultados experimentales de este trabajo se recomienda que sean 2 ciclos en esta etapa de transición. Aunque la etapa de transición es una etapa preliminar a la adaptación, merece también un monitoreo constante y completo para no permitir que por descuido la carga de alimentación baje y los lodos se desadapten o se pierda biomasa por la mala operación. Además, es una etapa fundamental de reconocimiento, donde se evalúa el sistema así como el comportamiento y crecimiento de la nueva biomasa, para luego plantear las mejores condiciones de operación para arrancar la adaptación de lodos. Para el problema de los nuevos flujos causados por la adquisición de Agua Externa, se propone la posibilidad de recircular o dejar en el sistema el clarificado, mientras el sistema tenga bajas remociones DQO y DBO5 (menor a 40 % como se trabaja en el protocolo), para que los microorganismos sigan consumiendo de él. Se propone revisar la remoción en el clarificado con una frecuencia que depende del rendimiento de los lodos y el TRH y TS con el que se comience a operar, y al obtener buenas remociones se debe cambiar o adicionar nuevo alimento, con la mezcla de aguas residuales que le corresponda a la etapa de adaptación en que se esté. La alimentación se debe coordinar teniendo en cuenta que el objetivo es nunca dejar a los microorganismos sin carga orgánica o nutrientes disponibles, para no generar fenómenos de desadaptación. Si el lodo comienza a presentar buena remoción, se deberá sacar clarificado tratado constantemente. Esta recirculación se puede aplicar a cualquier etapa del protocolo o para la etapa de transición. Vale la pena advertir que la recirculación del clarificado no sólo debe garantizar una disponibilidad de la carga de DQO y de DBO5 adecuada en la mezcla de alimento, sino también de los macronutrientes esenciales para los microorganismos. De la misma manera se sugiere un estudio sobre la respuesta metabólica del sistema para identificar, acumulaciones, subproductos o posibles causas de reducción del metabolismo. La ventaja de hacer el proceso de adaptación directamente en el SBR es que a medida que la biomasa se multiplica y crece durante el proceso de adaptación, se puede aprovechar para ir aumentando el volumen efectivo del SBR, hasta llegar al volumen efectivo normalmente usado

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en este equipo. Durante la adaptación, esta sería la estrategia para cumplir el requisito de disminuir la concentración de biomasa cuando los SSV hayan crecido por encima de los 6000 mg/L y se necesite bajar la concentración para continuar en el rango recomendado, en lugar de retirar biomasa como se planteó para un proceso en laboratorio de volumen constante. Hay que tener presente que si se va a tener un volumen efectivo variable y se quiere recircular el clarificado como alimento, se puede dejar o reinsertar al sistema haciendo una nueva mezcla de como se indica en el protocolo, pero que no aumente el volumen efectivo del SBR hasta el punto de diluir la concentración de SSV a valores no recomendables (< 3000 mg/L). Así que se deben hacer purgas de clarificado si es necesario. No se puede olvidar la adición de nutrientes faltantes, en este caso nitrógeno que se puede adicionar en forma de urea comercial disuelta en agua con una bomba dosificadora, siempre en la relación indicada en el protocolo. Cabe anotar que el lodo de buena remoción y formación de flóculos, aporta control sobre la espuma que se genera en este sistema, probablemente por rutas metabólicas presentadas en el reactor o por formación de otro tipo de microorganismos, sin embargo se recomienda tener una barrera que retenga los derrames y lodos, en caso de grandes volúmenes de espuma las primeras horas o días del comienzo de una nueva etapa.

6. Conclusiones De los resultados del objetivo específico 1 se resalta que el agua residual de la empresa Producciones Químicas S.A, caracterizada por una relación DBO5/ DQO dentro del rango recomendado y sin inhibición total de microorganismos, se puede plantear como tratable biológicamente. Además, en el desarrollo del objetivo específico 2 se lograron remociones de DQO hasta de 66 % en R3 alimentado 100 % de agua industrial (equivalente a 25714 mg O2/L de DQO), un pico de 83 % en R1 alimentado con 40 % de agua industrial (equivalente a 6311 mg O2/L de DQO) y luego reiterativas recuperaciones hacia una remoción promedio de 50 % en R1 durante el resto del proyecto. Con esto, es posible afirmar que la adaptación propuesta y el tratamiento por lodos activados de este efluente, es factible y promisoria en cuanto a la remoción de carga orgánica. Durante el progreso del objetivo específico 2 se encontró que las recuperaciones de R1 después de eventos significativos, pueden darse por fenómenos de readaptación, formación de nueva microbiota o simplemente por la robustez o resiliencia del sistema. Sin embargo, se identificó una lenta dinámica en los microorganismos trabajados, y el tiempo requerido para las recuperaciones puede ser de varios días o semanas. También es recomendable tener un reactor de respaldo que mantenga microbiota adaptada en caso de necesitar insertarla en el sistema principal. La variación en el tiempo de concentraciones y características físico-químicas del agua residual de la empresa, interfiere negativamente en la remoción de DQO del tratamiento biológico. Esta variación causa inestabilidad en el sistema y somete a los microorganismos a condiciones de choque constantes, lo cual no permitió llevar el proceso de adaptación de lodos hasta su etapa final en R1 y contribuyó en la inestabilidad de R3. Es requisito asegurar una carga orgánica constante para comenzar con el proceso de adaptación en la empresa.

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Con respecto al objetivo específico 1 también se concluyó que es necesario mantener control sobre los macronutrientes en el sistema biológico. De la caracterización química del agua residual se encontró una deficiencia de nitrógeno a la entrada del tratamiento secundario por lo que es indispensable la adición de una fuente de éste al bioreactor, en las cantidades indicadas en el protocolo. Durante la adaptación realizara se logró establecer un balance de masa simplificado sobre el reactor principal, identificando los flujos del sistema y procesos más influyentes. Se resalta la importancia de procurar el equilibrio entre los procesos de nitrificación y desnitrificación en el lodo activo, controlando la aireación y estudiando en detalle estos flujos. Al observar las altas concentraciones de fósforo y nitrógeno en el lodo y clarificado, se recomienda revisar procesos de desnitrificación posteriores al tratamiento biológico y estudiar la posibilidad de disminuir la concentración de fósforo a la entrada del bioreactor dependiendo de los requerimientos del tratamiento primario. Los microorganismos trabajados en este proyecto son en su mayoría bacterias de morfotipos que concuerdan con los géneros Pseudomonas y Acinetobacter, las cuales son comúnmente encontradas en tratamientos de aguas industriales del tipo estudiado. Los siguientes microorganismos más evidenciados en este estudio son hongo, con morfotipos macroscópicos similares a los géneros Penicillium y Cephalosporium, apropiados para tratamiento de aguas residuales industriales complicadas y pueden aportar significativamente en la remoción de DQO. Se observó una destacada presencia y consolidación de bacterias posiblemente formadoras de exopolímeros en el proceso de adaptación, las cuales son favorables para la formación de flóculos en la sedimentación. Además, la composición de la microbiota cambia a través del proceso de adaptación y también se promueve el crecimiento de levaduras y microorganismos del reino hongo. Se recomienda que la temperatura de operación del reactor esté entre los 15 y 18 ºC para promover el crecimiento de los microorganismos psicrófilos observados, autóctonos del Agua Industrial y del incóculo. Se concluye que es necesario tener un inóculo extraído de un bioreactor de lodos activados, que aporte múltiple clases de microorganismos y tenga bacterias generadoras de flóculos, las cuales, al combinarse con los hongos, levaduras y demás microbiota del agua residual de la empresa generen buena remoción de DQO y óptima sedimentación. La baja concentración de SSV en el agua de la empresa indica que arrancar el bioreactor sin inóculo puede ser demorado e ineficiente. Por su parte, los lodos y biopelícula obtenidos de la torre de enfriamiento no son la mejor opción para inocular el reactor, pues aunque tiene una microbiota asociada con presencia del género hongo, está acompañada de materia orgánica e inorgánica inerte y sus microorganismos no tienen buenas propiedades sedimentación. La adaptación desarrollada en laboratorio se considera satisfactoria en términos de la información que se puedo recolectar sobre el comportamiento de los lodos frente al agua industrial, lo que permitió compilar toda esta experiencia en un protocolo como guía técnica para el arranque del bioreactor. Éste es el resultado del objetivo específico 3 y es un protocolo constituido por una serie de etapas, con las rutas de decisión a tomar dependiendo de la evolución del proceso, y puede ser aplicado a la adaptación de lodos activos de diferente origen.

50

Al observar los fuertes problemas generados en el rendimiento del reactor al realizar varios cambios al tiempo, se define una etapa del proceso como la combinación del nivel de carga y fracción másica de la DQO del alimento y el cambio de TRH. Así al avanzar en el proceso solo se cambia uno de estos parámetros a la vez. Además, con la dinámica microbiana y del lodo observada, se logra definir un ciclo como una semana y media sin cambios en el reactor, tiempo mínimo en el que se espera que la microbiota se logre adaptar a un cambio de etapa. Para el desarrollo del objetivo específico 3, se identificó que la evolución satisfactoria del proceso de adaptación, reflejada en la buena remoción de DQO, está asociada al crecimiento de lodos (aumento de SSV en el tiempo, siempre hasta el límite recomendado) y buena sedimentabilidad (flóculos grandes, amorfos, firmes y con IVL en el rango recomendado); éstos son los parámetros del proceso, deben tener un riguroso seguimiento y se pueden controlar con las acciones enumeradas en el protocolo. Se determinan los valores y características recomendadas de estos parámetros, para inocular y operar el reactor durante la adaptación. El oxígeno disuelto y pH también deben estar siempre en los valores recomendados, mientras que el color claro del lodo, un buen clarificado y la disminución de espuma en el reactor, son indicios positivos adicionales del proceso. Por último, se logran establecer las recomendaciones exigidas en el objetivo específico 3 sobre los requerimientos básicos de diseño del reactor, su inoculación y operación durante la adaptación, para el escalamiento del protocolo a las necesidades de Producciones Químicas S.A.

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53

Anexo 1: Diagrama del proceso en la PTAR de la empresa Producciones Químicas

S.A.

Figura A1.1. Diagrama de la PTAR de la empresa Producciones Químicas S.A.

54

Anexo 2: Definiciones matemáticas de factores para el diseño de lodos activados.

Los tres principales factores en el diseño de bioreactores de lodos activados son: la relación entre sustrato y biomasa (F/M), el tiempo de retención hidráulica (TRH) y la edad de lodos (θx). La relación sustrato/biomasa se expresa como (Rittmann & McCarty, 2001):

FM

=QoSo

VX [1]

Donde, FM

: Tasa de alimento con respecto a la biomasa en base a sólidos volátiles, kg DBO5 o DQO aplicada al día por kg de sólidos volátiles en suspensión (SSV) en el tanque de aireación. Qo : Caudal de la corriente de agua residual afluente (m3/d) So: Concentración del agua residual afluente (DBO5 o DQO (mg/L)) V ∶ Volumen del tanque de aireación (m3) X: Sólidos volátiles suspendidos en el tanque de aireación (m3/L)

Por su parte, el tiempo de retención hidráulico es el mismo comúnmente usado para diseño de reactores químicos:

TRH =QV

[2]

Con Q : Caudal de la corriente de agua residual afluente (m3/d) V ∶ Volumen del tanque de aireación (m3)

Por último, la edad de lodos se define por la siguiente ecuación (Rittmann & McCarty, 2001):

θx =Biomasa activa del sistema

Producción de biomasa activa =

XVQeXe + QwXw

[3]

Donde,

V: Volumen del sistema (L3) Qe : Caudal del efluente (L3/T) Qw : Caudal de purga de lodo (L3/T) X , Xe, Xw ∶ Concentraciones de la solución mezcla efluente y lodos de purga en unidades de materia consistentes, que pueden ser sólidos volátiles activos, sólidos volátiles o sólidos en suspensión

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Anexo 3: Metodología de análisis

A3.1. Carbono total en líquidos Método: Standar Method 5310B (American Public Health Association, Water Environment Federation, and American Water Work Association, 1992) Técnica: Combustión y detección infrarroja Metodología usada: Equipo automático. Aurora 1030 Combustion TOC Analyzer. Estándares para curva de calibración y patrones preparados con biftalato de potasio.

A3.2. Carbono total en sólidos Método: SW-846 Method 9060 (EPA, 1992) Técnica: Combustión y detección infrarroja Metodología usada: Equipo semiautomático. 1030S TOC Solid Module. Estándares para curva de calibración y patrones preparados con sucrosa.

A3.3. DBO Método: SM 5210B (American Public Health Association, Water Environment Federation, and American Water Work Association, 2005) Incertidumbre relativa: 22.1% Técnica: Volumétrica Metodología usada: Preparación de las diluciones de la muestra y llenar frasco hasta tope. Incubar a 20 ºC por 5 días. Medir oxígeno inicial y final con oxímetro prara calcular la diferencia.

A3.4. DQO Método: SM 5220 D Técnica: Reflujo cerrado-calorimétrico Incertidumbre relativa: 7.0% Metodología usada:Se hacen diluciones de las muestras para obtener una DQO entre 100 y 1000 mgO2/L para usar la curva de alta. Agitando se toman 2.5 mL de muestra y se adicionan al reactivo de digestión alta. Los tubos se agitan y se colocan en un termoreactor a 150ºC por 2 horas para luego leerlos en un espectrofotómetro a 600nm.

A3.5. Fósforo Total Método: SM 4500-P B (5) (American Public Health Association, Water Environment Federation, and American Water Work Association, 2005) Técnica: Digestión por persulfato – Método ácido fosfovanadomolibdico Incertidumbre relativa: 16.39% Metodología usada: Se toman 100 mL de la muestra o disolución. Se adiciona1 mL de solución de Ácido sulfúrico y 0,2 gr de Persulfato de amonio. Calentar hasta ebullición las muestras en una plancha de calentamiento precalentada hasta un volumen final de 10 mL. Se deja enfriar y se agrega 20 mL de agua destilada. Se agrega una gota de solución indicadora de fenolftaleína y se neutraliza con NaOH 8N hasta un rosado suave. Terminar con colorimetría y lectura en espectrofotómetro.

A3.6. Fosfatos

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Método: SM 4500-P C Técnica: Calorimetría – ácido fosfovanadomolibdico Metodología usada: Se purga todo el material con HCL 1:1.Se hace una dilución de la muestra para no salir del rango esperado. A 35mL de muestra se le adiciona 10mL de ácido vanadio y 5mL de agua destilada. Se deja reaccionar por 10 minutos y se lee en un espectrofotómetro a 400nm. Los residuos del experimento se disponen en residuos peligrosos.

A3.7. NTK Método: SM 4500-Norg C y 4500-NH3 C Técnica: Digestión semi-micro Kjeldahl Incertidumbre relativa: 16.2 % Metodología usada: Se preservan las muestras con ácido sulfúrico concentrado hasta un pH menor o igual a 2. Se prepara una dilución para no salir del rango esperado. Se colocan 50 mL de la dilución en un tubo soxhlet y se le adiciona 20 mL de reactivo de digestión NTK y se coloca en el equipo de digestión por 1 hora. Se hidrata la muestra y se adiciona 15mL de NaOH para luego destilarla. Se recoge el destilado en 20mL de ácido bórico y se titula hasta alcanzar el pH del ácido bórico usado. Los residuos del análisis deben disponerse como desechos peligrosos.

A3.8. Nitrógeno amoniacal Método: SM 4500-NH3-C Técnica: Destilación-titulación. Metodología usada: Se preservan las muestras con ácido sulfúrico concentrado hasta un pH menor o igual a 2. Se prepara una dilución para no salir del rango esperado. A 100mL de la dilución se le adiciona 5mL de buffer de boratos y se ajusta el pH entre 9.5 y 9.8 con NaOH 1N.Se pasa la mezcla a un tubo soxhlet para destilar la muestra. En 20mL de ácido bórico se recoge el destilado y se titula hasta alcanzar el pH del ácido bórico utilizado.

A3.9. Nitratos Método: HACH 8039 Técnica: Kit colorimétrico – Reducción con cadmio Metodología usada: Se filtra la muestra en una equipo de filtración de vació con un filtro cuantitativo y posteriormente con un filtro cualitativo. Se toman 10 mL de muestra bien agitada. Se diluye a 10 mL con agua desionizada. Se adiciona gota a gota Agua de Bromo hasta obtener un amarillo permanente. Agregar solución de fenol hasta que desaparezca el color. Se adiciona el contenido del sobre Nitraver5 y agitar durante minuto y medio. Después de 5 min leer en el espectrofotómetro.

A3.10. Nitritos Método: 4500 − 𝑁𝑂2 B Técnica: Colorimétrica Metodología usada: Se filtra la muestra en una equipo de filtración de vació con un filtro cuantitativo y posteriormente con un filtro cualitativo. Se toman 50 mL de muestra bien agitada. Se adiciona 2 mL de reactivo de color y se mezcla. Entre 10 a 120 minutos después de adicionar el reactivo de color se mide la absorbancia en una celda de 5 cm a 543nm.

A3.11. Nitratos y Nititos para sólidos (CEN, 2007)

57

Método: 4500 − 𝑁𝑂2 B y HACH 8039 Técnica: Colorimétrica Metodología usada: Una parte alícuota del material húmedo homogeneizado se agita durante una hora con una solución de cloruro de potasio 2 mol / L a temperatura ambiente. La relación de extractante a material es cinco a uno. La solución de extracción se filtra y se analizan las fracciones de nitrógeno por el método estándares para muestras líquidas.

A3.11.1 Validación método de extracción nitritos y nitratos para sólidos húmedos

Para la validación del método de extracción con solución de cloruro de potasio, se prepararon tres muestras de lodos dopadas con el doble de la solución patrón de concentración exactamente conocida del analito usada para en cada método analítico para muestras líquidas. De modo que se obtuvieron tres muestras de lodos dopadas para nitritos y tres para nitratos. Para la validación se evaluó la precisión y veracidad de los resultados de remoción obtenidos para estas muestras. En general en la validación de métodos analíticos se mide la precisión de los datos a través de la desviación típica relativa (DTR), que se mide en porcentaje y se considera aceptable en un rango de 1 % al 15 %.

De los datos obtenidos se obtuvieron un DTR del 10 % para nitritos y para el nitrato del 28 %, de acuerdo con esto el método de extracción es considerablemente preciso para la extracción de nitritos extraíbles que para nitratos. Sin embargo, cabe notar que estos resultados no son estadísticamente significativos debido a que la cantidad de muestras por prueba no son representativas. Los resultados se muestran en la Tabla A3.1.

Cabe señalar que una validación rigurosa del método se sale del alcance de este estudio.

Tabla A3.1 Resultados validación extracción de nitritos y nitratos

A3.12. Sulfatos Método: SM 4500-SO42- E Técnica: Turbidimetrico Metodología usada: Se hace una dilución de la muestra para no salir del rango esperado. Agitando se mezclan 20mL de muestra, 4 mL de buffer de sulfatos y 1 mL de gelatina para sulfatos. Se deja reaccionar agitando por 1 minuto y luego se lee entre los siguientes 5 o 10 minutos en un espectrofotómetro a 420nm.

A3.13. Sólidos suspendidos volátiles

Muestra Nitritos (mg N/L) Nitratos (mg N/L)

I 0.026 4.05 II 0.032 6.49 III 0.029 7.36

Media 0.029 5.97 Desviación estándar 0.003 1.72 DTR (%) 10.34 28.76

58

Método: SM 2540 E Técnica: Gravimétrica Incertidumbre relativa de SST: 11.8% Metodología usada: Se taran crisoles con filtros AP-40. Se toman 5 o 10mL de muestra bien agitada y se filtran en los crisoles con ayuda de una flauta de vacío. Se llevan los crisoles al horno a 105ºC por una hora. Se registra el peso como sólidos suspendidos totales. Se llevan los crisoles a la mufla a 550ºC por 20 minutos y se pesa la ceniza inorgánica resultante. La diferencia de pesos entre los sólidos suspendidos después del horno y después de la mufla son los volátiles.

A3.14. Sólidos sediemntables Método: SVI (American Public Health Association, Water Environment Federation, and American Water Work Association, 2009) Técnica: Gravimetría Incertidumbre relativa: 16.6% Metodología usada: En un cono Himoff de 1 L verter la muestra. Dejar sedimentar por 30 minutos y medir el volumendel precipitado. Realizar el cálculo

59

Anexo 4: Evaluación montajes escala laboratorio y montaje final

A4.1. Primer y segundo montaje: aireación con bombas de aire y aire comprimido (agosto, septiembre y octubre 2012).

Se trabajó con 8 horas de aireación, las primeras seis semanas proporcionadas por bombas usadas en peceras y mangueras dispuestas desde el centro del reactor. Las siguientes dos semanas se trabajó con aire comprimido y mangueras agujereadas en círculos concéntricos. En estos primeros montajes se varió la presión de aireación y el tiempo de sedimentación.

Figura A4.1. Primera disposición de

mangueras de Aireación.

Figura A4.2. Segunda disposición de

mangueras de Aireación

Figura A4.3. Montaje con aireación con bombas de pecera

Figura A4.4. Montaje bioreactor con Aire

Comprimido

60

A4.2. Tercer montaje: aireación con aire comprimido y difusores (noviembre y diciembre 2012).

Se probaron dos arreglos de mangueras, el primero con burbujas de mayor área superficial y el segundo permite simular los difusores de burbuja fina que se usan en la PTAR Uniandes y en el bioreactor de la empresa Producciones Químicas S.A. Cada prototipo se instaló en uno de los reactores para evaluarlos simultáneamente y se calibró la presión del aire tomando muestras de los clarificados en cada cambio para comparar turbiedad. De esta forma se escogió el arreglo final de mangueras y un rango de presión de aire para trabajar.

Figura A4.5. Arreglo de aireación I. Burbuja

gruesa

Figura A4.6. Arreglo de aireación II.

Burbuja fina

Figura A4.7. Comparación de los arreglos de aireación. Reactores en etapa de sedimentación, a

la izquierda montaje con burbuja gruesa y a la derecha montaje con burbuja fina.

Figura A4.8. Muestras para escoger la presión de aire que provoque menor lodos suspendidos

en el clarificado

61

A4.3. Cuarto montaje: automatización (enero y febrero 2013)

Al disminuir los tiempos de retención en los anteriores montajes se encontró la necesidad de realizar un montaje automatizando los periodos de aireación, carga y descarga, con electroválvulas para el aire y 4 bombas peristálticas para los líquidos, programando todo con temporizadores digitales y manteniendo un monitoreo constante con cámaras. Esto permitió escoger el tiempo de aireación para el comienzo de la adaptación de lodos.

Figura A4.9.5 Montaje automatizado de los Bioreactores

62

Anexo 5: Montaje reactores piloto escala laboratorio

Figura A5.1. Montaje experimental para adaptación de lodos Tabla A5.1 Descripción de equipos usados en el montaje experimental de reactores

# Equipo Descripción 1. Tanque de alimentación de R1 Las mangueras plásticas de las bombas

tanques plásticos de 40L para almacenamiento de líquidos 2. Manguera dirigida al tanque de

descarga de R1

3. Controladores del sistema de bombeo de R1

Sistema de bombeo Masterflex 4. Bomba de carga de R1 5. Bomba de descarga de R1

6. Temporizador para la bomba de carga de R1

Temporizadores digitales programables 7. Temporizador para la bomba de

descarga de R1

8. Temporizador para la aireación de ambos reactores

9. Temporizador para el sistema de bombeo de R2

10. Lámpara Se monitorea el montaje durante el día y la noche con control remoto de un computador

11. Cámara para monitoreo 12. Cámara para monitoreo 13. Cámara para monitoreo

14. Sistema de aire comprimido Proporciona las presiones utilizadas de aire.

15. R1 Reactores en acrílico de 5mm de 18cm de diámetro externo y 30cm de alto con 3L de volumen efectivo con aireación simulando burbuja fina 16. R2

17. Lámpara Se enciende en las noches y fines de semana

18. Controladores del sistema de bombeo de R2

Sistema de bombeo Masterflex 19. Bomba de carga de R2 20. Bomba de descarga de R2 21. Tanque de alimentación de R2 Tanques plásticos de 40L para

almacenamiento de líquidos 22. Tanque de descarga de R2

63

15 feb 20 feb 25 feb 2 mar 7 mar 12 mar 17 mar 22 mar 27 mar0

20

40

60

80

100R

emoc

ión

(%)

Fecha (2013)

26%

8%

66%

48%56%

83%

Proceso de Adaptación Fase I

Figura A.6.1. Evolución durante el proceso de adaptación de la Fase I

Anexo 6: Resultados cualitativos adaptación lodos en laboratorio A6.1. Fase 1

20% AI 20% AI 30% AI 40% AI 40% AI

50% AI

Lodos: Café oscuro, de baja sedimentabilidad. Flóculos pequeños. Clarificado: Turbio y con sólidos suspendidos.

Lodos: Café más claro. Sedimentación buena y rápida. Flóculos medianos y compactos. Clarificado: Menos turbio y menor cantidad de sólidos en suspensión.

Lodos: Café claro como arena. Sedimentabilidad buena y rápida. Flóculos más grandes y compactos. Clarificado: Turbio, con una capa delgada de lodos flotantes.

Lodos: Color beige, de buena sedimentabilidad. Flóculos grandes e irregulares. Clarificado: Más claro y sin sólidos suspendidos ni lodo sobrenadante.

Lodos: Café oscuro, aspecto arenoso y de baja sedimentabilidad. Flóculos pequeños. Clarificado: Turbio y con sólidos suspendidos.

Lodos: Color beige. Sedimentación regular y uniforme. Flóculos grandes. Clarificado: Un poco turbio Inicio adición de urea.

64

27 mar 6 abr 16 abr 26 abr 6 may 16 may 26 may 5 jun 15 jun 25 jun0

20

40

60

80

100R

emoc

ión

(%)

Fecha (2013)

54%

44%

30%30%

50%

26%

48%

22%

37%48% 48%

54% 56%

Proceso de Adaptación Fase II

Figura A6.2. Evolución durante el proceso de adaptación de la Fase II

Lodos: De color café claro. Se observaron flóculos minúsculos. Mala sedimentación, muy rápida y uniforme. Clarificado: Muy turbio y con partículas suspendidos.

Lodos: De color café claro. Flóculos pequeños y dispersos. Muy mala sedimentación, muy rápida y turbulenta. Aspecto arenoso. Clarificado: Más turbio y con partículas suspendidos.

Lodos: De color curuba. Flóculos medianos y grandes, dispersos y no compactos. Sedimentabilidad de velocidad moderada, de baja turbulencia. Clarificado: Menos turbio y con menor cantidad de partículas suspendidas.

Lodos: De color curuba. Flóculos medianos y semicompactos. Sedimentabilidad de velocidad moderada y de baja turbulencia. Se observan flóculos pequeños dispersos. Clarificado: Menos turbio y con menor cantidad de partículas suspendidas.

Lodos: De color curuba. Flóculos medianos y pequeños, semicompactos. Sedimentación regular de velocidad moderada y presencia de una capa de lodo que no sedimenta bien. Clarificado: Menos turbio pero empeorando nuevamente.

50% AI 50% AI 50% AI 40% AI DQO: 6900 mgO2/l 40% AI 40% AI 40% AI Inicio adición de exceso de urea.

A6.2. Fase 2

65

Anexo 7: Resultados de los ensayos microbiológicos complementarios

Tabla A7.1 Resultados de análisis microbiológicos complementarios al proceso de adaptación de lodos

Muestra Morfología macroscópica

Reconteo (UFC/mL)

Morfología microscópica Microscopía (1000x) Foto de la colonia

R1 (40%)

Blanca, pequeña, redonda y gelatinosa

Incontable

Bacilos Gram negativos y levaduras

Amarilla, redonda y gelatinosa

>10²

Bacilos Gram negativos y levaduras

Mancha blanca

gelatinosa

>10² Levaduras

R2 (40%)

Amarillo pálido,

redonda, pequeña y gelatinosa

Incontable

Bacilos Gram negativos y levaduras

Amarilla, redonda y gelatinosa

>10²

Bacilos Gram negativos y levaduras

Blanca, mancha

redonda con estrías

>10²

Bacilos Gram negativos y levaduras

66

Tabla A7.1 (Continuación)

Muestra Morfología macroscópica

Recuento (UFC/mL)

Morfología microscópica Microscopía (1000x) Foto de la colonia

R3 (100%)

Blanca redonda y

muy pequeña

Incontable

Bacilos Gram negativos y levaduras

Mancha amarilla y gelatinosa

Incontable

Bacilos Gram positivos

delgados y gruesos

LODO TORRE

Blanco, redondo,

mediano y filamentoso

Incontable Hongo

Banca, redonda y pequeña

Incontable

Bacilos Gram negativos y levaduras

Blanca, redonda,

mediana, no filamentosa

Incontable Levaduras

BIOPE LICUL

A

Blanca, redonda y diminuta

>10

Bacilos Gram negativos y

hongo

67

Tabla A7.1 (Continuación)

Muestra

Morfología macroscópica

Recuento (UFC/mL)

Morfología microscópica Microscopía (1000x) Foto de la colonia

BIOPE LICUL

A

Beige muy pálido,

redonda, mediana y no filamentosa

>10² Levaduras

Blanca, péquela y

filamentosa >10² Hongo

Mancha blanca

filamentosa >10³

Bacilos Gram negativos y

hongo

Mancha blanca no

filamentosa

>10³ Hongo y levaduras

Mancha blanca

filamentosa

>10 Hongo y cocos Gran positivos

Mancha blanca,

redonda, pequeña-mediana cremosa

10 Levaduras

68

Tabla A7.1 (Continuación)

Muestra Morfología macroscópica

Reconteo (UFC/mL)

Morfología microscópica Microscopía (1000x) Foto de la colonia

BIOPE LICULA

Mancha casi incolora

>10

Bacilos Gram negativos

Mancha blanca casi incolora y gelatinosa

60 x 10² Bacilos Gram

negativos

R2 (10% incubada a 35ºC)

Mancha blanca casi

incolora pequeña y gelatinosa

291

Bacilos Gram negativos y cocos Gram

positivos

R1 (20%)

Amarilla casi incolora

mediana y gelatinosa

64 Bacilos Gram

negativos

Blanca, pequeña

cremosa y con estrías

3

Bacilos Gram negativos y cocos Gram

positivos

Blanca casi incolora, redonda,

pequeña y gelatinosa

49

Bacilos Gram negativos muy

pequeños y cocos Gram

positivos pequeños

69

Tabla A7.1 (Continuación)

Muestra Morfología macroscópica

Recuento (UFC/mL)

Morfología microscópica Microscopía (1000x) Foto de la colonia

R1 (20%)

Blanca péquela y cremosa

2

Bacilos Gram negativos

muy pequeños y cocos Gram

positivos pequeños

Naranja, muy pequeña y gelatinosa

3

Bacilos Gram negativos

muy pequeños y cocos Gram

positivos pequeños

R2 (azúcar urea)

Mancha grande, casi incolora y

gelatinosa incontable

Bacilos Gram negativos

muy pequeños y cocos Gram

positivos pequeños

Mancha grande, amarilla, casi

incolora y gelatinosa

incontable

Bacilos Gram negativos

muy pequeños,

cocos Gram positivos

pequeños y bacilos Gram

positivos gruesos

Blanca, pequeña y gelatinosa 2

Cocos Gram negativos medianos

Amarilla casi incolora,

pequeña y gelatinosa

incontable Cocos Gram

negativos medianos

70

Tabla A7.1 (Continuación)

Muestra Morfología macroscópica

Recuento (UFC/mL)

Morfología microscópica Microscopía (1000x) Foto de la colonia

R2 (azúcar urea)

Naranja, muy pequeña y gelatinosa

Incontable

Bacilos Gram negativos

largos

Naranja, pequeña y gelatinosa

incontable

Bacilos Gram negativos muy

pequeños, cocos Gram

positivos pequeños y

bacilos Gram negativos gruesos

Reactor uniandes

Hongo filamentoso

sobre mancha amarilla casi

incolora y gelatinosa

incontable

Bacilos Gram positivos gruesos,

bacilos Gram negativos gruesos,

levaduras y hongos

Blanca, redonda,

cremosa y con estrías

incontable

Bacilos Gram negativos,

medianos y de centro

transparente

Punto blanco mediano

cremoso con estrías

incontable

Bacilos Gram negativos

medianos y cocos Gram

positivos mediano-pequeños

Beaker 6 horas

Mancha gelatinosa y transparente

de puntos diminutos

incontable

Bacilos Gram negativos

diminutos y levaduras

71

Tabla A7.1 (Continuación)

Muestra Morfología macroscópica

Reconteo (UFC/mL)

Morfología microscópica Microscopía (1000x) Foto de la colonia

Beaker 6 horas

Mancha grande

transparente y gelatinosa

2

hongo

Café claro y

transparente en los bordes, redonda,

mediana y gelatinosa

2 Bacilos Gram

negativos diminutos

Punto blanco filamentoso 1 levaduras

Café claro y

transparente en los bordes, redonda,

mediana y gelatinosa

1

Bacilos Gram negativos pequeños

Hongo

filamentoso sobre colonia café claro y

transparente en los bordes, redonda,

mediana y gelatinosa

1 hongo

Blanca cremosa con

estrías incontable levaduras

72

Tabla A7.1 (Continuación)

Muestra Morfología macroscópica

Recuento (UFC/mL)

Morfología microscópica Microscopía (1000x) Foto de la colonia

Beaker 19 horas

Café claro y transparente en

los bordes, redonda,

mediana y gelatinosa

78

Bacilos Gram negativos diminutos

Punto blanco pequeño y cremoso

1 levaduras

Blanca filamentosa 1 levaduras

Mancha con puntos

diminutos incontable levaduras

Homogenizador

antes de tratamient

o biológico empresa

Blanca, redonda, grande

y gelatinosa 200 levaduras

Blanca, redonda,

pequeña y gelatinosa

700 Bacilos Gram negativos

73

Tabla A7.1 (Continuación)

Muestra Morfología macroscópica

Conteo (UFC/mL)

Morfología microscópica Microscopía (1000x) Foto de la colonia

Homoge-nizador antes de

tratamiento

biológico empresa

Ovalada y pequeña. Crece a

la mitad del medio, es decir

que no son aerobias estrictas

11 x 10²

Bacilos Gram negativos grandes y

largos

Ovalada – redonda y

pequeña. Crecen a la mitad del

medio

400

Bacilos Gram negativos grandes

Amarilla redonda y mediana 10

Cocos Gram negativos medianos

Café, redonda, mediana y un

poco gelatinosa 30 Bacilos gran

positivos