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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
.
Trabajo Fin de Grado Análisis del proceso BAS para el tratamiento
biológico de un efluente residual a escala laboratorio
(Analysis of the BAS process for the biological treatment of the residual effluent to laboratory
scale)
Para acceder al Título de
GRADUADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES
Autor: Rubén Riancho López
Julio-2018
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
1
ÍNDICE GENERAL
1.ALCANCE Y OBJETIVOS.......................................................................................................... 5
2. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 6
2.1 AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES .................................................................................. 6
2.2 INDUSTRIA DE PASTA Y PAPEL ............................................................................................ 8
2.2.1 Descripción del proceso industrial de la pasta de celulosa .............................................. 9
2.2.2 Descripción del proceso industrial de la fibra de viscosa................................................ 10
2.2.3 Aguas residuales y su tratamiento del sector de pasta celulosa y viscosa .................... 13
2.3 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUAS RESIDUALES ..................................................... 15
2.4 PROCESO BAS ..................................................................................................................... 17
2.4.1 Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) .............................................................................. 19
2.4.2 Fangos Activos ................................................................................................................ 22
3. MÉTODO EXPERIMENTAL .................................................................................................... 25
3.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA EXPERIMENTAL ................................................................. 25
3.2 MÉTODO ANALÍTICO DEL DICROMATO POTÁSICO ......................................................................... 27
3.2.1 Instrumental y Reactivos ................................................................................................. 28
3.2.2 Método de reflujo cerrado o Hach ................................................................................... 29
3.3 MEDIDA DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN TOTALES ......................................................................... 33
4. RESULTADOS ........................................................................................................................ 35
4.1 COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA BAS ....................................................................................... 35
4.2 VALIDACIÓN DEL SISTEMA .......................................................................................................... 39
4.3 INFLUENCIA DEL CAUDAL ........................................................................................................... 40
4.4 ESTEQUIOMETRIA DE NUTRIENTES ............................................................................................. 42
4.5 ANÁLISIS MULTIVARIANTE ......................................................................................................... 44
4.6 SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN Y PH ................................................................................................. 48
4.6.1 Sólidos en Suspensión Totales ....................................................................................... 48
4.6.2 Control del pH .................................................................................................................. 52
5. CONCLUSIONES .................................................................................................................... 54
6. REFERENCIAS ....................................................................................................................... 56
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
2
ÍNDICE DE FIGURAS
. Figura 1. Diagrama de flujo del proceso al sulfito ácido para la producción de pasta dissolving……..10
. Figura 2. Diagrama de flujo del proceso de fabricación de rayón…………………………………………13
. Figura 3. Diagrama de flujo del proceso BAS……………………………………....................................18
. Figura 4. Esquema de un Reactor MBBR…………………….…………………………………………………….20
. Figura 5. Bulking Filamentoso ………………...………………………………………………………….....24
. Figura 6. Flóculo Ideal…………………………….…………………………………………………………..24
. Figura 7. Sistema Experimental a Escala Laboratorio……………………………………………………..25
. Figura 8. Soporte Plástico Biofilm Chip P (Anoxkaldnes)…………………..…………………………......26
. Figura 9. Equipo de Filtrado………………………………………………………………………………….28
. Figura 10. Filtros de 47 mm……………………………………………………………………………….....28
. Figura 11. Digestor y Tubos de Digestión………………………………………………………………......28
. Figura 12. Blanco con Dicromato y Sulfúrico…………………………………………………………….....31
. Figura 13. Muestra con Dicromato y Sulfúrico……………………………………………………………...31
. Figura 14. Comparación de F10 y F11………………………………………………………………………32
. Figura 15. Muestra mal diluida (no válida) ………………………………………………………………….32
. Figura 16. Muestra con adicción de ferroina………………………………………………………………..32
. Figura 17. Muestra con adicción de FAS……………………………………………………………………33
. Figura 18. Viraje a color rojo………………………………………………………………………………....33
. Figura 19. Eliminación de DQO en gramos/día de cada reactor y del proceso BAS total …….………..38
. Figura 20. Eliminación de DQO durante el periodo de estabilidad ……………………………..………..40
. Figura 21. Influencia del caudal en el valor de DQO en el reactor MBBR………………...…………...41
. Figura 22. Influencia del caudal en el valor de DQO en el reactor de FA……………………………...41
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
3
. Figura 23. Valor de DQO en reactor MBBR y de Fangos Activos para una reducción de nutrientes a
la mitad……………………………………………………………………………………………….………....42
. Figura 24. Valor de DQO en reactor MBBR y de Fangos Activos para una reducción de nutrientes a
la cuarta parte ………………………………………………………….......................................................43
. Figura 25. Porcentaje de DQO eliminado para las 3 estequiometrias analizadas en reactor MBBR y
de Fangos Activos………………………………………….......................................................................44
. Figura 26. Diagrama de Superficie reactor MBBR…………………………………………...…………….45
. Figura 27. Gráfica de DQO de Observado vs predicho en reactor MBBR…………….……………....46
. Figura 28. Diagrama de Superficie del reactor de Fangos Activos ………………………………….......47
. Figura 29. Gráfica de DQO de Observado vs predicho en reactor de Fangos Activos ………………...47
. Figura 30. Sólidos en Suspensión Totales en los 3 puntos de recogida ………………...……………....50
. Figura 31. Sólidos en Suspensión a la Salida del Sistema………………………………………………..50
. Figura 32. Sólidos a microscopio primeras semanas de trabajo………………………………………..51
. Figura 33. Sólidos a microscopio sistema estabilizado ……………………...……………………………51
. Figura 34. Sólidos a microscopio sistema estabilizado (2) ……………………………………………….51
. Figura 35. pH del MBBR para las 3 estequiometrias analizadas ……………….………………………..52
. Figura 36. pH a la salida del Sistema para las 3 estequiometrias analizadas ……….……………….....53
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
4
ÍNDICE DE TABLAS
.Tabla 1. Parámetros de contaminación de un efluente residual industrial………………………………...7
.Tabla 2. Características del carrier………………………………………………………………….............26
.Tabla 3. Valores de DQO medidos en los reactores MBBR y de Fangos Activos…………………….....36
.Tabla 4. Valores de DQO eliminado en el proceso BAS y en cada una de sus fases…...………………37
.Tabla 5. Eliminación de DQO durante el periodo de estabilidad……………………………………...…..39
.Tabla 6. Sólidos en Suspensión Totales en los 3 puntos de recogida……………………………...........49
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
5
1.ALCANCE Y OBJETIVOS
En este proyecto, se analiza la efectividad del proceso Biofilm Activated Sludge (BAS)
para eliminar la Demanda Química de Oxígeno (DQO), uno de los principales
parámetros de la contaminación de las aguas residuales procedentes de la industria
de la celulosa y viscosa. Para ello, se han realizado una serie de experimentos a
escala laboratorio en un sistema experimental, donde se llevará a cabo un tratamiento
biológico mediante el proceso BAS. Este proceso, emplea un pre-tratamiento
mediante la tecnología Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), seguido de una segunda
fase basada en la tecnología de Fangos Activos (FA). Posteriormente, hay una etapa
de clarificación-sedimentación para separar los sólidos biológicos de manera que el
efluente final, ya sin sólidos, pueda ser vertido. Por otra parte, los sólidos son
purgados del sistema experimental y analizados para conocer su concentración y su
grado de humedad.
Este proyecto, surge como continuación de un trabajo de Ingeniería Química realizado
por Delia Huarhua Quispe, donde se estudió el comportamiento de dos reactores de
biopelícula de lecho móvil trabajando en serie.
Analizando el sistema se marcan los siguientes objetivos:
- Estudio y puesta a punto del sistema experimental de reactores biológicos del
proceso BAS: reactores MBBR y reactores de fangos activos.
- Estudio de la influencia del caudal en el proceso de tratamiento biológico BAS.
- Estudio del comportamiento del proceso de tratamiento biológico BAS cuando se
varía la estequiometria de la relación DQO:N:P del efluente residual.
- Analizar la reducción de DQO que se produce en ambos reactores biológicos.
- Analizar el efluente de salida y los lodos obtenidos.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
6
2.INTRODUCCIÓN
El agua es un recurso limitado, y el aumento de la población ha obligado a buscar
tecnologías más avanzadas capaces de preservar la calidad del agua y cumplir con
la legislación medioambiental vigente y con el compromiso de la sociedad en un
marco de desarrollo sostenible.
Las aguas residuales urbanas contienen altos niveles de materia orgánica (DQO),
fósforo (P) y nitrógeno (N). Estos compuestos son causantes de multitud de
problemas ambientales, tales como la eutrofización, el consumo de oxígeno y la
toxicidad, suponiendo además un grave peligro para la salud humana si no se tratan
adecuadamente. Por eso, es necesario estudiar los distintos sistemas de los que se
dispone para llevar a cabo su tratamiento y determinar cuál es la alternativa más
adecuada en función de la actividad de la que proceda el agua a tratar. Sin embargo,
en procesos de tratamiento biológico de aguas residuales, los compuestos citados
anteriormente constituyen los principales nutrientes que hacen posible la degradación
de la materia orgánica de dichas aguas.
2.1 AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES
Las aguas residuales industriales se caracterizan por su gran heterogeneidad. Dentro
de cada sector industrial se llevan a cabo diferentes procesos, generándose en cada
uno de ellos residuos de distinta composición. Existe una gran variedad de procesos
en cada uno de los sectores, teniendo que valorar el tratamiento de aguas residuales
que mejor se adapta a las particularidades de cada uno de ellos, ya que cada industria
utiliza diferentes técnicas de producción y procesamiento, distintos volúmenes de
material, distintos caudales, etc… Cada proceso requiere por tanto un tratamiento
adaptado a las características de sus infraestructuras. Cabe destacar, que en cada
proceso industrial los vertidos de aguas industriales pueden dividirse en continuos o
periódicos según su frecuencia de generación (diario, semanal, mensual, anual, etc.).
Lo que sí tienen que cumplir todas las industrias, es mantener unos niveles de
contaminación acorde con la ley medio ambiental vigente (Ley 2/2002). En la Tabla
1, se muestra la declaración de la carga contaminante para un efluente residual; (Ley
de Cantabria 2/2002, de 29 de abril de Saneamiento y Depuración de Aguas
Residuales; Art.2).
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
7
Tabla1. Parámetros de contaminación de un efluente residual industrial
• [1] Valor A referido al valor medio de vertido.
• [2] Valor B referido al valor máximo de vertido.
En esta Tabla, aparecen alguno de los principales parámetros a tener en cuenta
al medir la contaminación. Demanda Química de Oxígeno (DQO), Materia en
Suspensión (MES), Sales Solubles (SOL), Materias Inhibitorias (MI), Nitrógeno
(N), Fósforo (P) e Incremento de Temperatura (IT).
Dentro de los sectores industriales, la característica que ofrecen las aguas
residuales industriales procedentes de la pasta papelera, es la baja
concentración de nutrientes tales como N y P. Más adelante, se discutirá la
composición y características de este tipo de efluentes de forma detallada.
Parámetros Unidades Valor A [1] Valor B [2]
DQO mg O2/L 315 500
MES mg/L 220 230
SOL 9μS/cm 1000 1100
M1 equitox/m3 1 1
N mg/L 20 30
P mg/L 10 10
IT ⁰C 0 0
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
8
2.2 INDUSTRIA DE PASTA Y PAPEL
La producción de celulosa soluble al sulfito y fibra de viscosa se basa en el
aprovechamiento de la madera, un recurso natural y renovable como es la madera de
Eucalyptus glóbulus en el que España tiene un enorme potencial, es un sector clave
para el futuro industrial de nuestro país (Zalakain y Manterola, 2011). La principal
aplicación de la celulosa es la producción de fibra de viscosa cortada, para su
posterior fabricación de tejidos-no tejidos o nonwovens. Las aplicaciones más
comunes de los nonwovens son productos de higiene femenina y médico-sanitaria.
La pasta para la fabricación de papel, se puede producir a partir de fibra virgen por
medios químicos o mecánicos o se puede producir por desintegración de papel
recuperado.
La madera es la materia prima principal pero también puede usarse paja, hierba,
algodón y otras materias primas e incluso residuos lignocelulósicos que contengan
celulosa y contribuyan a la economía circular y al desarrollo de la biorrefinería forestal.
La composición exacta de la madera variará según la especie arbórea, edad, etc…No
obstante, algo inherente a la biomasa arbórea son los tres macrocomponentes que
conforman su estructura: celulosa, hemicelulosa y lignina (BREF, 2006). Hay muchos
productos distintos fabricados por la industria del papel, que se pueden clasificar en
los siguientes grandes grupos:
• Papel de presa.
• Papeles de impresión y escritura estucados.
• Papeles de impresión y escritura sin estucar.
• Papeles de embalaje.
• Tisú
• Papeles especiales.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
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2.2.1 Descripción del proceso industrial de la pasta de celulosa
La producción de pasta dissolving o, en otras palabras, pasta de celulosa de alta
pureza puede llevarse a cabo fundamentalmente a través de dos vías: el proceso al
sulfito o el ampliamente conocido proceso Kraft, precedido por una etapa de hidrólisis
de la madera.
En la fabricación del proceso al sulfito pueden utilizarse diferentes bases tales como
sulfito de Ca, Mg, Na o K. En nuestro caso de estudio la base utilizada para preparar
el licor fresco que actúa como agente deslignificante (separa la lignina de la celulosa
de la madera) es la cálcico magnésica extraída de canteras de dolomita.
Las principales etapas que conforman el proceso de producción de la pasta de
celulosa son: (1) acondicionamiento de la madera, la cual es troceada y tamizada;
(2) producción de licor fresco al sulfito ácido en una torre de absorción de gases
donde entra en contracorriente la lechada acuosa de dolomía con SO2(gas); (3)
digestión en los reactores de cocción a alta presión y temperatura donde se producen
reacciones de condensación, deslignificación e hidrólisis en un proceso que dura
varias horas; (4) lavado de la pasta celulósica resultante; (5) blanqueo libre de cloro
en un proceso de tres etapas: ozonización, extracción alcalina con NaOH y blanqueo
con H2O2; (6) acondicionamiento de la pasta dissolving que pasa por los procesos
de depuración, acidificación y secado de la pasta.
En la Figura 1 puede verse un diagrama de bloques completo del proceso al sulfito
ácido para la fabricación de pasta dissolving.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
10
Figura 1. Diagrama de flujo del proceso al sulfito ácido para la producción de pasta dissolving
2.2.2. Descripción del proceso industrial de la fibra de viscosa
En la práctica comercial, la pasta es mercerizada en una disolución acuosa de sosa
al 18% a temperatura ambiente o ligeramente alta (25ºC). Durante este proceso, se
eliminan componentes que son perjudiciales para el proceso de producción. La
reacción que tiene lugar durante el proceso se describe a continuación en la ecuación
1:
RCellOH + NaOH-->RCellO-Na+ + H2O (ec.1)
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
11
Una vez terminado el tiempo de mercerización se somete a la pasta a un prensado
para eliminar la sosa sobrante. Posteriormente, es necesario airear la celulosa
alcalina debido a que se apelmaza debido al efecto conjunto del hinchamiento,
debido a la acción de la sosa, y del prensado. Para conseguir airear la pasta se
desmenuza creando puntos accesibles para los reactivos que se emplearán más
adelante. La temperatura y el trabajo mecánico de la etapa de desmenuzado, se
emplean en conjunto con la etapa de envejecimiento, para controlar la
despolimerización de la celulosa. En la etapa de madurado, se deja reposar la
celulosa durante 2 o 3 días. Esta parte del proceso es necesaria para controlar el
grado de polimerización de la celulosa que a su vez depende de la viscosidad. Se
puede reducir el tiempo de esta etapa empleando catalizadores como: Fe, Mn y Co.
Además, existen estudios en los que se emplean electrones para reducir el tiempo
de madurado de 2 a 3 días, hasta segundos.
Una vez ha pasado el tiempo de madurado empieza el proceso de xantogenación.
Para obtener el derivado soluble de la celulosa, en este caso xantato de celulosa, es
necesario que la celulosa alcalina, una vez madurada, reaccione con disulfuro de
carbono. La práctica más común, es introducir vapor en el reactor, además del
disulfuro de carbono. El vapor se recupera, con lo que se emplea para controlar la
reacción. El esquema de reacción que tiene lugar en esta etapa se describe en las
ecuaciones 2 y 3:
RCellOH + OH- -->RCellO- + H2O (ec. 2)
RCellO- + CS2 --> RCellOCS-2 (ec. 3)
La xantogenación está influenciada por la composición de la celulosa alcalina y la
cantidad de CS2, aunque para controlar la reacción las variables que se controlan
son tiempo y temperatura. La reacción de xantogenación es un equilibrio exotérmico,
de manera que si en la disolución existen especies químicas que reaccionen con el
disulfuro de carbono, el rendimiento de la reacción se vería negativamente afectado,
ya que se vería desplazado hacia la izquierda, disminuyendo el rendimiento de la
reacción, hacia la producción de xantanto de celulosa. Además, por ser una reacción
exotérmica, la temperatura de operación se mantiene por debajo de 32ºC.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
12
Una vez se completa la reacción de xantogenación, el xantanto de celulosa se
disuelve en una disolución de hidróxido sódico del 5 al 8%. En este caso se requieren
temperaturas bajas, para minimizar la descomposición del xantanto y la formación
de productos secundarios. En esta etapa se produce la viscosa. Los aditivos se
pueden emplear en esta etapa, aunque también es posible añadirlos antes de que la
viscosa pase por el proceso de hilado. Una vez la celulosa ha sido disuelta y
homogeneizada adecuadamente, es necesario que pase por un proceso de filtrado,
que puede constar de varias etapas. El objetivo principal es eliminar las partículas
que no se han disuelto en la etapa anterior, para que no obstruyan los poros de los
hiladores. Para obtener una fibra de calidad, es necesario que la viscosa pase por
un proceso de madurado. En esta etapa se producen cambios, tanto físicos, como
químicos. La disolución se oscurece y se produce un incremento de los productos
secundarios, que afectan a la coagulación de la viscosa en el proceso de hilado. Para
controlar el grado de maduración es necesario controlar el tiempo y la temperatura.
El madurado se expresa mediante el índice de sal (en inglés SI) y para el caso de la
viscosa, el madurado termina cuando SI está entre 4.5 y 5. Este parámetro de control
es inversamente proporcional al grado de polimerización.
Finalmente tiene lugar el hilado para obtener las fibras de rayón (producto final). En
este proceso se hace pasar a la viscosa a través de hiladores y después por un baño
ácido, bajo condiciones muy controladas. El ácido coagula la viscosa y forma una
pequeña membrana alrededor del filamento, para después penetrar en la fibra y, de
ese modo, neutralizar la base. Además, el xantanto de celulosa se descompone para
dar lugar a la celulosa regenerada. Por último, las fibras de rayón se lavan y se les
da el acabado final deseado. El resumen de todo el proceso se recoge en la Figura
2.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
13
Figura 2. Diagrama de flujo del proceso de fabricación de rayón.
2.2.3 Aguas residuales y su tratamiento del sector de pasta celulosa y viscosa
Los problemas medioambientales más importantes de las industrias del sector del
papel son las emisiones atmosféricas, los vertidos de aguas residuales con una alta
carga orgánica y sólidos suspendidos, y el consumo de energía. Como solución
medioambiental, las mejores técnicas disponibles para el sector pastero-papelero
son (BREF, 2006):
• Reducir al mínimo el consumo de agua para distintas clases de papel
mediante un mayor reciclado de las aguas de proceso y un sistema de
gestión del agua.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
14
• Controlar las desventajas que pueden derivarse del cierre de los circuitos de
agua.
• Construir un sistema equilibrado de almacenamiento de aguas blancas,
filtrado (transparente) y papel con taras y, siempre que sea posible, utilizar
montajes, diseños y máquinas con un consumo de agua reducido. Esto
suele hacerse en el momento de cambiar o reformar máquinas o
componentes.
• Aplicar medidas para reducir la frecuencia y los efectos de los vertidos
accidentales.
• Recoger y reutilizar las aguas limpias de refrigeración y estanquidad, o
separar los vertidos.
• Separar el pretratamiento de las aguas residuales generadas por el proceso
de estucado.
• Sustituir las sustancias potencialmente nocivas por otras menos
perjudiciales.
• Tratar los vertidos de aguas residuales por medio de una pileta de
compensación.
• Disponer de tratamiento primario, de tratamiento secundario biológico y, en
algunos casos, de tratamiento secundario químico por precipitación o
floculación de las aguas residuales. Si sólo se aplica el tratamiento químico,
los vertidos de DQO serán algo mayores, aunque constituidos
principalmente por materia fácilmente degradable.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
15
2.3 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUAS RESIDUALES
El tratamiento biológico de las aguas residuales consiste en la eliminación de materia
orgánica soluble por medio de reacciones catalizadas por microorganismos y la
separación de la biomasa generada del agua tratada, logrando así una eliminación de
materia biodegradable y suspendida (Lin S, 2007).
Las bacterias por lo general, se reproducen por fisión binaria y el tiempo necesario
para cada fisión (tiempo de generación) puede variar entre días y menos de 20
minutos (Metcalf y Eddy, 2003). Sin embargo, las bacterias no continúan dividiéndose
indefinidamente a causa de diversas limitaciones ambientales tales como la
concentración del sustrato, la concentración de nutrientes, e incluso el tamaño del
reactor biológico. La curva de crecimiento bacteriano para un proceso discontinuo,
donde se inocula en un volumen de líquido una cantidad de bacterias con una
cantidad limitada de material orgánico, se divide en cuatro fases.
i) Fase de latencia: Es la fase de adaptación y representa el tiempo necesario
para que las bacteriasa se aclimaten al sustrato suministrado al medio
líquido y comiencen a dividirse.
ii) Fase de crecimiento exponencial: Las células se dividen a una velocidad
constante y el número de bacterias alcanza un punto máximo, debido a que
no hay limitación de sustrato (material orgánico).
iii) Fase estacionaria: La concentración de biomasa permanece prácticamente
constante en el tiempo debido a que el sustrato comienza a escasear en el
reactor, limitando el crecimiento bacteriano y por lo tanto la velocidad de
crecimiento bacteriano es equivalente a la velocidad de muerte celular.
iv) Fase de muerte celular o inactivación: Esta fase engloba el consumo de la
biomasa debido a dos procesos: 1) auto-oxidación, el sustrato está muy
reducido en el medio líquido y los microorganismos tienen que oxidar su
propio tejido celular para su propio mantenimiento. Cuando las reservas
endógenas se han agotado, las células mueren y se produce la rotura de la
pared celular y 2) depredación por microorganismos depredadores
(protistas y metazoos). En esta fase, la velocidad de muerte celular es
superior a la velocidad de crecimiento bacteriano y en consecuencia la
población bacteriana activa comienza a disminuir (Ferrer y Seco, 2007).
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
16
La operación y el diseño de los procesos de tratamiento biológico se basan en la curva
de crecimiento bacteriano. En función de la carga orgánica del agua residual, los
procesos biológicos operan en una fase u otra de la curva de crecimiento bacteriano.
Los principales procesos biológicos aplicados al tratamiento residual se dividen en
cinco grandes grupos: (Ferrer y Seco, 2007).
• Procesos aerobios (con oxígeno): Procesos de fangos activos, digestión
aerobia, filtros percoladores, filtros de desbaste, sistemas biológicos
rotativos de contacto (RBC), biofiltros activados.
• Procesos anóxicos (carencia de oxígeno): Denitrificación con cultivo en
suspensión, y la denitrificación de película fija.
• Procesos anaerobios (ausencia total de oxígeno): Digestión anaerobia,
proceso anaerobio de contacto (UASB), filtro anaerobio, y lecho expandido.
• Procesos anaerobios, anóxicos o aerobios combinados: Proceso de una o
varias etapas.
• Procesos en estanques o lagunajes: Lagunas aerobias, lagunas facultativas,
lagunas anaerobias y lagunas de maduración o terciarias.
Los procesos biológicos más usados en las plantas de tratamiento son los de cultivos
en suspensión, lodos activos, cultivos fijos y filtros percoladores. (Metcalf y Eddy,
2003).
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
17
2.4 PROCESO BAS
Hoy en día, las exigencias en el tratamiento de las aguas residuales son cada vez
mayores y por tanto los trabajos de investigación en este campo están dirigidos a
desarrollo de nuevos tratamientos biológicos con el fin de aumentar la capacidad de
tratamiento de los reactores convencionales, incrementando la cantidad de
microorganismos sin necesidad de aumentar el volumen de los reactores (Leiva,
2015).
Durante las últimas décadas se han desarrollado tratamientos para disminuir la carga
contaminante de las aguas residuales de la industria de la pasta y el papel. La
experiencia en la aplicación de procesos MBBR y BAS en este tipo de industrias
hace indicar que el proceso BAS es una opción para el tratamiento de este tipo de
aguas residuales industriales, siendo una solución técnico-económica corroborada
para este tipo de casos. Esta tecnología está basada en el crecimiento de biomasa
en unos soportes plásticos de pequeño tamaño (carriers), pero de elevada superficie
específica, lo que permite el crecimiento de mayor cantidad de biomasa en un menor
espacio. Analizando trabajos anteriores (Delia, 2016) donde se ha trabajado con un
porcentaje de llenado de los carriers del 10%, se puede observar que se puede
incrementar hasta un 67-70% ganando eficiencia. Para porcentajes de llenado
superiores a un 67-70 % la agitación no es homogénea en el tanque (Odegaard,
1999). Esto posibilita que este sistema pueda ser implantado en estaciones
depuradoras que tengan la imposibilidad de ampliar la superficie existente o
depuradoras de nueva construcción con un espacio de implantación limitado.
El proceso BAS consiste en la combinación del proceso MBBR y el proceso de
fangos activos (Figura 3). Se utiliza reactores MBBR como pre-tratamiento de alta
carga orgánica, donde la DQO soluble rápidamente biodegradable se elimina
mediante microorganismos de rápido crecimiento (bacterias heterótrofas aerobias).
La carga orgánica que llega al reactor de fangos activos (FA) es muy baja,
encargándose principalmente de eliminar la DQO particulada lentamente
biodegradable, como también del exceso de biomasa procedente del reactor MBBR;
además, pueden aparecer microorganismos de lento crecimiento como los autótrofos
en dicho reactor eliminando el exceso de nitrógeno amonical mediante nitrificación.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
18
Un pre-tratamiento mediante una etapa de biopelícula, es una forma alternativa de
controlar el crecimiento filamentoso en procesos de fangos activos, debido a que se
favorece el crecimiento de microorganismos de rápido crecimiento compitiendo con
las bacterias filamentosas, es decir, los reactores MBBR actúan como selectores
cinéticos (Slade et al, 2004).
El proceso BAS puede operar permitiendo un ligero exceso de nutrientes (nitrógeno
y fósforo) en el efluente final o en condiciones de limitación de ellos, donde la dosis
de nutrientes es reducida. El proceso BAS con limitación de nutrientes fue introducido
en 2002 en dos plantas en Suecia, Sodra Cell Varo (celulosa) y Stora Enso Hylte
(papel) y desde entonces se ha implantado en EDARs industriales procedentes de
la industria de celulosa y papel en diferentes países europeos, América del Norte,
América del Sur y Australia (Malmqvist et al, 2008). El proceso BAS con limitación
de nutrientes consiste en una estrategia de ajuste, que reduce la producción de
fangos en los casos en los que se requiere una adición de nutrientes. En la etapa
MBRR la DQO del agua residual se transforma en polisacáridos que, a su vez, se
emplean para la generación de nueva biomasa en el fango activo. La producción y
consumo de polisacáridos suponen un consumo de energía para las bacterias, lo
que limita su crecimiento, que se traduce en una reducción de producción de fangos
y, por tanto, en un ahorro de los costes operacionales. Este sistema permite reducir
la producción de fangos secundarios y disminuir la cantidad de nutrientes requerida.
Así mismo, el proceso BAS mejora las características del fango activo haciéndolo
más estable y con una calidad del fango más fácil de deshidratar.
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso BAS
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
19
El mecanismo del proceso BAS es la limitación de nutrientes en el pre-tratamiento
MBBR generando sobreproducción de EPS (polisacáridos extracelulares) y dando
lugar a una biomasa viscosa que podría ocasionar problemas de decantación, pero
que es fácilmente degradada en el proceso de fangos activos, obteniendo un lodo con
flóculos compactos y buenas características de decantación.
Investigaciones recientes han demostrado que la operación secuencial MBBR/Lodo
activado (Biofilm Activated Sludge, BAS) en condiciones de deficiencia de nutrientes,
siendo éste el caso de las aguas residuales de la industria papelera, resulta muy
eficiente para la industria de pasta y papel (Welander, 2002; Slade et al, 2004) al
mejorar las características de decantación del lodo, reducir significativamente la
producción de lodo y dosificación de nutrientes, disminuyendo el coste de operación.
2.4.1 Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)
La tecnología MBBR fue desarrollada por el profesor Ødegaard a finales del año 1980
(Qiqi et al, 2012) y se basa en la formación de una biopelícula, donde los
microorganismos se adhieren a un soporte o lecho. Estos soportes se mantienen
móviles y en suspensión dentro del reactor. En los años 90 fue comercializada por la
empresa Kaldnes Milijo Teknologi, más tarde por la empresa Anoxkaldnes división de
la empresa Veolia, encargada del tratamiento biológico de aguas residuales. Existen
más de 1200 plantas de tratamiento para aguas residuales industriales y urbanas
(Boltz et al, 2017) distribuidas en 50 países diferentes que utilizan la tecnología
AnoxkaldnesTM MBBR (van derHaandel y van der Lubbe 2015). La tecnología MBBR
se ha utilizado con éxito a nivel industrial para el tratamiento de diferentes tipos de
aguas residuales, incluyendo las aguas residuales municipales (Rusten et al, 1998a;
Borkar et al, 2013) y las aguas industriales procedentes de la industria de papel
(Hosseini y Borghei, 2005) y pasta de celulosa (Jahren et al, 2002; Vaidhegi, 2013),
aguas fenólicas (Borghei y Hosseini, 2004), aguas residuales del procesamiento de
aves de corral (Rusten et al, 1998b), aguas residuales farmacéuticas (Brinkley et al,
2007; Lei et al, 2010), aguas residuales de la industria láctea, refinerías, residuos de
mataderos (Barwal y Chaudhary, 2014), piscifactorías (Rusten et al, 2006) y
desnitrificación de agua potable (Kermani et al, 2008; McQuarrie y Boltz, 2011).
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
20
La tecnología MBBR se basa en el crecimiento de microorganismos adheridos a las
paredes de soportes de polipropileno o polietileno de densidad próxima a 1 g/cm3
conocidos como carriers. Estos soportes son de pequeño tamaño, pero son diseñados
con una elevada área superficial por unidad de volumen (superficie específica, m2/m3)
lo que posibilita el crecimiento de mayor cantidad de biomasa y de mayor efectividad
que la de los flóculos biológicos de reactores convencionales.
En general, los reactores MBBR (Figura 4) están formados por un tanque y un sistema
de aireación para suministrar oxígeno a los microorganismos, además de provocar la
agitación de los carrier en el medio para crear un efecto de cizalladura, evitando el
colapso del carrier por excesivo crecimiento de la biomasa. El efecto de cizalladura
es muy importante para permitir la difusión del sustrato, nutrientes y oxígeno a todas
las capas de biofilm.
Figura 4.Esquema de un Reactor MBBR
El biofilm formado, tiene una estructura heterogénea pudiendo contener cientos de
bacterias, protozoos, hongos y especies eucariotas. Cada especie compite por el
sustrato e incluso se produce el fenómeno predador-presa. Otro aspecto importante
de operación de los reactores MBBR es el efecto del porcentaje de llenado de carriers
en el tanque de aireación, del que se hablará más adelante.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
21
Los reactores MBBR tienen un funcionamiento continuo y una mezcla completa,
donde la biomasa se cultiva en los carriers que tienen una densidad más ligera que
el agua. Los reactores MBBR se pueden aplicar en procesos aerobios, donde la
aireación y agitación se consigue por medio de compresores y para procesos
anóxicos, donde el reactor contiene un agitador horizontal mecánico para que la
mezcla sea completa (Borkar et al, 2013).
El pre-tratamiento con sistemas de formación de biofilm en influentes de alta carga,
eliminan rápidamente la materia orgánica biodegradable antes de llegar al tratamiento
con lodos activados, convirtiéndose en una alternativa para controlar el fenómeno de
“bulking”. En los últimos años el proceso MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) se ha
implantado como pre-tratamiento de formación de biofilm (Kaindl, 2010).
Los procesos de MBBR poseen unas características para tratar aguas residuales con
alta carga de DQO, fuerte tolerancia a las puntas de carga orgánica y tamaño de
reactor relativamente pequeño. Durante la última década se ha utilizado con éxito los
reactores MBBR para el tratamiento de efluentes industriales, incluyendo la industria
de pulpa y papel, aguas residuales lácteas, aguas residuales fenólico y aguas
residuales municipales. Los carriers utilizados en los MBBR juegan un papel crucial
en el rendimiento del sistema (Borkar et al, 2013).
El agua residual procedente de la industria de pasta de celulosa y viscosa no contiene
los nutrientes necesarios para el crecimiento óptimo de los microorganismos, por ello
es necesaria la dosificación adecuada y cuidadosa en el tratamiento biológico
convencional de fangos activos (Slade et al, 2004).
Las ventajas que presenta el Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) son las siguientes
(www.anoxkaldnes.com):
• Proceso muy flexible, que permite aumentar la eficiencia del proceso
empleando la cantidad de relleno plástico de acuerdo a las cargas actuales
o futuras.
• Operación a altas concentraciones de biomasa suspendida.
• Baja pérdida de carga.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
22
• Sin necesidad de lavado a contracorriente periódica del soporte plástico.
• Reducción del volumen del reactor biológico, por la eficiencia del soporte
plástico.
• Sencilla operación y mantenimiento.
• No requiere la recirculación de los fangos, evitándose además la generación
de bulking filamentoso (sedimentación mejorada).
• Los costes de explotación y de inversión son similares a los de sistemas
convencionales de fangos activos.
2.4.2 Fangos Activos
El proceso biológico de fangos activos (FA) fue desarrollado hace más de 100 años
(Modin et al, 2016; Dai et al, 2016) y se basa en el mantenimiento de microorganismos
en suspensión dentro de un reactor biológico. Hoy en día, el tratamiento biológico de
lodos activados es el proceso convencional más utilizado tanto en el sector de aguas
residuales urbanas (ARU) como en las aguas residuales industriales (ARI) y más
concretamente en la industria de pasta de celulosa y viscosa.
El proceso de lodos activados es aerobio (necesidad de oxígeno) y el concepto básico
es que los microorganismos se alimentan de las sustancias o sustrato que contiene
el agua residual para formar nuevos microorganismos que permanecen en contacto
con el agua residual a tratar. En el reactor, el cultivo bacteriano lleva a cabo la
conversión en concordancia general con la estequiometria de las ecuaciones de
"oxidación y síntesis" y "respiración endógena". En este proceso las bacterias son los
microorganismos más importantes, ya que son los causantes de la descomposición
de la materia orgánica del afluente; aunque también intervienen otros
microorganismos como los protozoos y rotíferos que ejercen una acción de refino de
los efluentes. El proceso de lodos activados debe llegar a un equilibrio entre el
sustrato (carga orgánica) y la cantidad de microorganismos necesarios para la
eliminación del sustrato F/M (food/microorganism), por ese motivo es necesario
mantener el nivel de microorganismos en el tanque de aireación mediante una
recirculación del lodo del clarificador hacia el tanque de aireación.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
23
El contenido del reactor se conoce con el nombre de licor mixto, contenido producido
por la recirculación de fangos en el reactor, donde se combina con la biomasa en
suspensión generada en el reactor de lecho móvil previo. La mezcla del efluente
tratado y el lodo es enviada a un clarificador en donde el lodo se separa del efluente
por decantación. La mayor parte del lodo es retornado al tanque de aireación para
mantener una alta concentración de microorganismos en el sistema, mientras que una
menor parte del lodo es purgado del sistema.
Los principales factores que intervienen en el control del proceso de fango activado
son: el mantenimiento de los niveles de oxígeno disuelto en el tanque de aireación, la
regulación de la cantidad de fango recirculado (RAS) y el control de purga de fango
activo.
El principal inconveniente del proceso de lodos activados es la baja decantabilidad
del lodo (Jenkins et al, 1993) y la sensibilidad a tóxicos e inhibidores del influente. La
baja decantabilidad se debe a que los microorganismos no crecen en grandes flóculos
compactos con buenas propiedades de decantación. Las bacterias filamentosas y
bacterias libres “free-living” (Figura 5) producen flóculos (Figura 6) pequeños y
dispersos con malas propiedades de decantación dando lugar en el efluente tratado,
descarga de sólidos, materiales orgánicos y nutrientes, disminuyendo la eficiencia del
tratamiento biológico. La deficiencia de oxígeno y nutrientes son las causas de la mala
decantación del lodo en el clarificador y sus consecuencias son las siguientes:
- Deficiencia de oxígeno: produce el crecimiento de bacterias filamentosas “bulking”.
- Deficiencia de nutrientes: produce el crecimiento de bacterias filamentosas y
sobreproducción de polímeros extracelulares (EPS) (Rankin et al, 2007) por parte de
los microorganismos como mecanismo de defensa, dando lugar a un lodo de
características viscosas.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
24
A menudo en condiciones óptimas de oxígeno y nutrientes las bacterias filamentosas
proliferan cuando en el medio no hay suficiente materia orgánica biodegradable, es
decir, la relación F/M es baja. Para solventar este problema se han diseñado
diferentes estrategias como el diseño de selectores de microorganismos que
consisten en un pre-tratamiento de uno o varios compartimentos al que le llega alta
carga de materia orgánica. Estos selectores son efectivos para el control del
fenómeno “bulking” en la industria de pasta y papel (Marshall, 1999).
Figura 5. Bulking Filamentoso Figura 6. Flóculo Ideal
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
25
3. MÉTODO EXPERIMENTAL
3.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA EXPERIMENTAL
Este trabajo tiene como objetivo estudiar la viabilidad de la eliminación de DQO
mediante el proceso BAS. Para ello a escala laboratorio se monta un sistema de
depuración de aguas residuales.
El sistema BAS está compuesto por un depósito de entrada (tanque de influente), una
bomba, un reactor MBBR con sus soportes biofilm, un reactor de Fangos Activos y un
depósito de salida (tanque de efluente). Sistema que se puede observar a
continuación en la Figura 7.
El tanque del influente se llena diariamente con agua sintética cuyos componentes
son fructosa (principal aportador de DQO), urea (40%) y ácido fosfórico (72%),
posteriormente el líquido es bombeado al reactor MBBR. El volumen del reactor es
de 1,5 litros y en su interior se encuentran los soportes de densidad 0,95 gr/cm3. El
líquido se mezcla por medio de aireación mediante aire en el fondo del reactor y es
agitado mediante un agitador magnético, colocando un imán permanente en el fondo
del depósito.
Figura 7. Sistema Experimental a Escala Laboratorio
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
26
El diseño de los carriers utilizados en este trabajo es el mostrado en la Figura 8, es
un carrier diseñado por la empresa Anoxkaldnes llamado Biochip M (Zalakain y
Manterola, 2011) que proporciona alta superficie protegida para el crecimiento de los
microorganismos (Rusten et al, 2006), con un espesor de 3 mm para evitar la
aglutinación de los sólidos en suspensión totales característicos de este tipo de
vertidos.
En la Tabla 2 se especifican las características del carrier:
Tabla 2. Características del carrier.
Figura 8. Soporte Plástico Biofilm Chip P (Anoxkaldnes)
A continuación, el residuo orgánico se introduce en el reactor de fangos activos por
diferencia de alturas, donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión.
Al igual que en el reactor de lecho móvil se garantiza la mezcla y la aireación mediante
aire en el fondo del reactor. Este reactor de capacidad de 2,5 litros, dispone de un
decantador lo que facilita la separación de los sólidos para su purga cuando se crea
conveniente. Además, se realiza una recirculación periódica de los fangos mediante
un nuevo compresor de aire, en este caso con temporizador, de modo que no esté
funcionando de forma continua.
Espesor Diámetro Superficie
específica
Material
3mm 47mm 900m2/m3 PHD
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
27
Finalmente, la salida del reactor de fangos activos está conectada con el depósito de
salida (tanque de efluente) donde caerá el líquido tratado, nuevamente por diferencia
de alturas.
3.2 Método analítico del dicromato potásico
El método analítico ha sido desarrollado para la determinación de la Demanda
Química de Oxígeno (DQO) por el método del dicromato. Puede considerarse como
una medida aproximada de la demanda teórica de oxígeno, es decir, la cantidad de
oxígeno consumida en la oxidación química total de los constituyentes para
transformarse en productos finales inorgánicos. El grado en el cual los resultados del
ensayo se aproximan al valor teórico depende en primer lugar de lo completa que sea
la oxidación. Al igual que para las aguas residuales urbanas, el valor de la DQO es
una buena aproximación de la demanda teórica de oxígeno. En el caso de aguas que
contengan cantidades importantes de sustancias difícilmente oxidables en las
condiciones del ensayo, el valor de la DQO no es una buena aproximación de la
demanda teórica de oxígeno. Este puede ser el caso de ciertos efluentes industriales.
La demanda química de oxigeno (DQO) es una concentración másica de oxigeno
equivalente a la cantidad de dicromato consumida por la materia disuelta y en
suspensión, cuando una muestra de agua se trata con este oxidante en condiciones
definidas. (American Water Works Association; Water Pollution Control Federation;
American Public Health Association, 1992).
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
28
3.2.1 Instrumental y Reactivos
Instrumental
• Equipo de filtración y filtros de 47 mm de diámetro con un tamaño de poro
de 0,45 µm (Figuras 9 y 10).
Figura 9. Equipo de Filtrado Figura 10. Filtros de 47 mm
• Pipetas de distinta medida (1,5 y 10 ml)
• Vasos de precipitados
• Erlenmeyer
• Probetas
• Bureta
• Digestor y tubos de digestión (Figura 11)
Figura 11. Digestor y Tubos de Digestión
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
29
Preparación de Reactivos
1. Disolución 0.1 N de K2Cr2O7 0,0167 M: Añadir a 500 ml de agua desionizada
4,913g de K2Cr2O7 (previamente desecado en estufa a 103º C durante 2 horas), 167
ml de H2SO4 concentrado y 33.3 g de HgSO4. Disolver, enfriar y diluir con agua
desionizada a 1 litro.
2. Reactivo H2SO4-Ag2SO4: Añadir 10 g de Ag2SO4 cristalizado a 1 litro de H2SO4
puro. Dejar reposar al menos una noche antes de utilizarlo.
3. Indicador de ferroina: Disolver 1.485 g de 1-10 fenantrolina monohidrato y 0.695 g
de FeSO47H2O en agua destilada y diluir a 100 ml.
4. Disolución de FAS 0.025M: Disolver 19.6 g de Fe(NH4)2(SO4)2 .6H2O. Añadir 10 ml
de H2SO4 concentrado. Diluir a 2 litros.
3.2.2 Método de reflujo cerrado o Hach
1. Se pone el Hach en posición de encendido a temperatura de 150 º C y se mantiene
así hasta que alcance la temperatura.
2. Preparación de la muestra:
a) Se coge la muestra que se desea valorar (conservada en un tubo falcón en el
frigorífico) y se filtra para eliminar los sólidos en suspensión.
b) Una vez que se tienen las muestras filtradas se deben diluir para poder valorarlas
adecuadamente. El factor de dilución variará según el origen de la muestra, se ha
trabajado con diluciones 1:5,1:10 y 1:20.
c) Se coge la muestra previamente filtrada y diluida y se añaden 5 ml al tubo de
digestión (Esto deberá hacerse con cada muestra que se desee analizar). Además,
se deberán preparar 2 blancos de 5 ml cada uno en otros 2 tubos de digestión.
d) Se añaden 3 ml de K2Cr2O7 0,1N a cada tubo de digestión, tanto a las muestras
como a los blancos.
e) Se repite la misma operación añadiendo 7 ml del reactivo H2SO4-AgSO4.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
30
f) Se agitan bien todos los tubos para obtener una mezcla homogénea (sin posos),
con mucho cuidado ya que estos adquieren una elevada temperatura.
*Los pasos d, e y f deben ser realizados obligatoriamente en campana por motivos de
seguridad.
3. Se ponen los tubos en el digestor durante 2 horas a 150ºC.
4. Una vez pasadas las 2 horas se extraen los tubos del digestor y se dejan enfriar
durante al menos 30 minutos.
5. Valoración del FAS: Debe hacerse cada vez que se va a llevar a cabo un análisis,
ya que el factor varía con el tiempo.
a) Se añade a 1,5 ml de K2Cr2O7 3,5 ml del reactivo H2SO4-AgSO4 en un Erlenmeyer
o vaso de precipitados.
b) Se deja enfriar brevemente hasta poder operar con ello.
c) Se añade una gota del indicador de ferroina
d) Se valora con el FAS hasta viraje a color rojo (figura 18).
e) Se calcula el valor de f aplicando la siguiente fórmula:
𝒇 = 𝟏,𝟓∗𝟎,𝟏
𝑽𝑭𝑨𝑺∗𝟎,𝟎𝟐𝟓 (ec. 4)
*0,1= Normalidad del Dicromato Potásico
*1,5= Cantidad de Dicromato utilizada
*0,025=Moralidad del FAS
6. Una vez que los tubos de digestión se hayan enfriado se procede al análisis de
cada uno de ellos:
a) Se vierte en un Erlenmeyer o en un vaso de precipitados pequeño el contenido
del tubo de digestión.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
31
b) Se lava el tubo de digestión 2 veces con agua destilada (5 ml aproximadamente
en cada ocasión) y se añade al Erlenmeyer o vaso de precipitados.
c) Se añade una gota del indicador de ferroina.
d) Se valora con el FAS hasta viraje a color rojo.
e) Finalmente se calcula la DQO de cada muestra empleando la siguiente
fórmula:
𝒎𝒈 𝑫𝑸𝑶
𝒍=
(𝑨−𝑩)∗𝑵∗𝒇∗𝟖𝟎𝟎𝟎∗𝒅
𝑽(𝒎𝒍 𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂) (ec. 5)
A=Volumen de FAS utilizado empleado en valoración del blanco
B=Volumen de FAS utilizado en la muestra analizada
f=Factor del FAS
N=Normalidad del FAS
d= Factor de dilución utilizado
*Colores indicativos durante el análisis (Figuras 12-18)
Figura 12. Blanco con Dicromato y Sulfúrico Figura 13. Muestra con Dicromato y Sulfúrico
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
32
Figura 14. Comparación de F12 y F13 Figura 15. Muestra mal diluida (no válida)
Figura 16. Muestra con adicción de ferroina
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
33
Figura 17. Muestra con adicción de FAS Figura 18. Viraje a color rojo
3.3 Medida de Sólidos en Suspensión Totales
Los sólidos son los materiales suspendidos en el agua residual y que afectan
negativamente a la calidad del agua.
Los sólidos en suspensión totales son aquellos que después de filtrar con un filtro de
vidrio quedan retenidos sobre él. El método que se utilizará para su medida se basa
en filtrar una muestra por un filtro de 47 mm de diámetro y 0,45 micras de tamaño de
poro (figura) y el residuo obtenido en el mismo se seca a una temperatura de 105 ºC.
El aumento del peso del filtro representa los sólidos en suspensión totales.
Pueden producirse interferencias por partículas gruesas flotables o aglomerados
sumergidos de materiales no homogéneos. Un residuo excesivo sobre el filtro puede
formar una costra hidrófila y por lo tanto se tendría que limitar el tamaño de la muestra
para que proporcione un residuo no superior a 200 mg.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
34
Los tiempos de filtración prolongados, consecuencia de la obturación del filtro pueden
originar resultados altos debido a una cantidad excesiva de sólidos capturados en el
filtro obturado.
Medición
1. Preparación del filtro de vidrio: El filtro contiene humedad y por lo tanto hay que
secarlo a 105 ºC en la estufa durante al menos 1 hora. Seguidamente se introduce en
el desecador hasta su enfriamiento para finalmente pesarlo.
2. Análisis de la muestra: Se coloca el filtro por la cara rugosa sobre el portafiltros del
equipo de filtración. Se añade un volumen determinado de muestra (previamente
homogeneizada), y se inicia la succión conectando la bomba o trompa de vacío. Se
separa el filtro cuidadosamente con unas pinzas y se introduce en la estufa a 105 ºC
durante al menos 1 hora. Seguidamente se introduce el filtro en el desecador hasta
que alcance la temperatura ambiente, para finalmente pesar el filtro con el residuo.
El volumen necesario de muestra depende de la carga que contenga el agua, cuanto
mayor sean los sólidos menos es la cantidad de agua a utilizar. En este caso bastará
con 15-20 ml.
3. Equipos necesarios: Bomba de vacío, Kitasato, rampa de filtración de 3 puestos,
abrazaderas, embudos, portafiltros de placa porosa, filtros de 0’45 micras-47 mm,
estufa, desecador y balanza analítica.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
35
4.RESULTADOS
4.1 Comportamiento del Sistema BAS
Para este trabajo se ha montado a escala laboratorio un sistema experimental BAS
que permite analizar agua sintética con composición semejante a las aguas residuales
procedentes del sector de pasta y papel. Agua sintética, que está formada por fructosa
(compuesto que aporta principalmente la DQO), urea y ácido fosfórico, con una
relación inicial de 100:5:1. Esta estequiometria da como resultado un valor
aproximado de DQO de 3000 mg/L en la entrada del sistema. Esta relación se ha
mantenido a lo largo de 10 semanas y con ella se han obtenido los valores de DQO
a la salida de ambos reactores del sistema mostrados en la Tabla 3.
En la Tabla 3, se puede ver todas las muestras recogidas a lo largo de las primeras
10 semanas de trabajo, junto a ellas, el caudal de cada uno de esos días, así como,
el valor de DQO medido a la salida de ambos reactores, Moving Bed Biofilm Reactor
(MBBR) y Fangos Activos (FA).
Analizando los valores de la Tabla 3, se observa un valor medio de DQO de 1900
mg/L con una desviación de ±390 mg/L en el reactor MBBR y un valor medio de DQO
de 1257 mg/L con una desviación de ± 380 mg/L en la fase de Fangos Activos. Esto
supone una reducción de la DQO inicial en porcentajes superiores al 50 % al final del
sistema.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
36
Tabla 3. Valores de DQO medidos en los reactores MBBR y de Fangos Activos
Caudal (L/h) DQO MBBR (mg/L) DQO FA (mg/L)
Semana 1
0,3 1668 946
0,3 1177 1134
0,3 2224 1046
Semana 2
0,3 1883 471
0,3 2507 1352
0,3 2463 1469
Semana 3
0,3 2054 1926
0,27 1862 1819
0,24 1626 1134
Semana 4
0,225 1657 828
0,313 2376 1100
0,3 2378 1657
0,3 2418 2011
Semana 5
0,313 1183 1019
0,27 2002 1329
0,29 2057 874
0,25 1875 1383
0,3 2420 1274
Semana 6
0,215 1034 868
0,25 1820 993
0,24 1489 1199
0,24 1903 1696
Semana 7
0,17 2377 1593
0,23 2409 2042
0,21 2097 1584
Semana 8
0,25 1406 882
0,247 2047 1448
0,265 1525 1458
Semana 9
0,265 1709 1064
0,274 1739 828
0,268 2001 1156
0,253 1854 1085
Semana 10
0,266 2223 1362
0,385 2161 1450
0,393 2472 2028
0,33 1849 1545
0,44 1951 1558
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
37
A continuación, se muestra una nueva tabla (Tabla 4) en la cual se observa la
eliminación diaria de DQO en cada fase en valores de gramos/día.
Tabla 4. Valores de DQO eliminado en el proceso BAS y en cada una de sus fases
Caudal (L/h) Máximo a
eliminar (g/día) MBBR (g/día) FA (g/día) BAS (g/día)
0,3 21,6 9,59 5,2 14,79
0,3 21,6 13,13 0,31 13,43
0,3 21,6 5,59 8,48 14,07
0,3 21,6 8,04 10,17 18,21
0,3 21,6 3,55 8,32 11,87
0,3 21,6 3,86 7,16 11,02
0,3 21,6 6,81 0,92 7,73
0,27 19,44 7,38 0,28 7,65
0,24 17,28 7,91 2,84 10,75
0,225 16,2 7,25 4,47 11,73
0,313 22,54 4,69 9,58 14,27
0,3 21,6 4,48 5,19 9,67
0,3 21,6 4,19 2,93 7,12
0,313 22,54 13,65 1,23 14,88
0,27 19,44 6,47 4,36 10,83
0,29 20,88 6,57 8,23 14,8
0,25 18 6,75 2,95 9,7
0,3 21,6 4,18 8,25 12,43
0,215 15,48 10,14 0,85 11
0,25 18 7,08 4,96 12,04
0,24 17,28 8,7 1,67 10,37
0,24 17,28 6,32 1,19 7,51
0,17 12,24 2,54 3,2 5,74
0,23 16,56 3,26 2,02 5,29
0,21 15,12 4,55 2,59 7,14
0,25 18 9,56 3,14 12,71
0,247 17,78 5,65 3,56 9,2
0,265 19,08 9,38 0,43 9,81
0,265 19,08 8,21 4,1 12,31
0,274 19,73 8,29 5,99 14,28
0,268 19,3 6,43 5,44 11,86
0,253 18,22 6,96 4,67 11,63
0,266 19,15 4,96 5,5 10,46
0,385 27,72 7,75 6,56 14,32
0,393 28,3 4,98 4,19 9,17
0,33 23,76 9,11 2,41 11,52
0,44 31,68 11,08 4,15 15,23
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
38
Para el cálculo de DQO eliminada en gramos/día, se multiplica los valores de DQO
en mg/L de la Tabla 3 por el caudal medido durante esos días, de modo que se pueda
relacionar los valores de los diferentes días y las dos etapas estudiadas (MBBR y FA)
y estudiar la eficiencia del sistema. Además de los g/día de DQO eliminados en cada
fase del sistema, en la Tabla 4 también se puede observar la eliminación total de DQO
al final del sistema BAS con respecto al valor inicial de carga contaminante.
Los valores de la Tabla 4 se representan a continuación en la Figura 19:
Figura 19. Eliminación de DQO en gramos/día de cada reactor y del proceso BAS total
Como se puede observar en la Figura 19, existe cierta variabilidad en los resultados
obtenidos tanto en el reactor MBBR como en el de Fangos Activos, con unos valores
medios de eliminación de DQO de 6,53 gramos/día en el MBBR y 3,15 gramos/día a
la salida de los Fangos Activos, para un valor total de eliminación de DQO del proceso
BAS en su conjunto de 10,83 gramos/día de media. Esta variabilidad se debe, a fallos
iniciales en el método de medida de DQO, así como a la falta de estabilidad del
sistema experimental. Sin embargo, como se puede observar a continuación (sección
4.2), una vez se domina el método de medida y el crecimiento bacteriano pasa la fase
de latencia (fase de adaptación); es decir, pasa el tiempo necesario para que las
bacterias se aclimaten al sustrato suministrado al medio líquido y comiencen a
dividirse, las células se dividen a una velocidad constante y el número de bacterias
alcanza un punto máximo, consiguiendo que el proceso BAS funcione de forma
estable.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
39
El MBBR funciona con una eficiencia media del 32,4 % y el reactor de Fangos Activos
del 21,1 % haciendo que el proceso BAS alcance una eficiencia media del 53,5% con
picos máximos de hasta el 72,38 % el día 23 de mayo.
Pese a esta variabilidad, a la vista de los resultados se observa una alta eficiencia de
ambos reactores y del sistema BAS en su conjunto.
4.2 Validación del sistema
Pese a los cambios que presenta el sistema, se pueden observar fases en las que el
sistema se comporta de forma regular. Durante las semanas que se ha trabajado con
caudales muy similares y en las que el sistema data de una gran estabilidad, se
obtienen datos parecidos (Tabla 5).
Tabla 5. Eliminación de DQO durante el periodo de estabilidad
Caudal (L/h) Máximo a
eliminar (g/día) MBBR (g/día) FA (g/día) BAS (g/día)
0,313 22,54 13,65 1,23 14,88
0,27 19,44 6,47 4,36 10,83
0,29 20,88 6,57 8,23 14,8
0,25 18 6,75 2,95 9,7
0,3 21,6 4,18 8,25 12,43
0,25 18 9,56 3,14 12,71
0,247 17,78 5,65 3,56 9,2
0,265 19,08 9,38 0,43 9,81
0,265 19,08 8,21 4,1 12,31
0,274 19,73 8,29 5,99 14,28
0,268 19,3 6,43 5,44 11,86
0,253 18,22 6,96 4,67 11,63
0,266 19,15 4,96 5,5 10,46
Se puede decir, que cuando el sistema está estabilizado, si se trabaja en condiciones
regulares a lo largo de los días, el proceso BAS es capaz de funcionar de forma
estable. Esto se puede observar en la Figura 20 con los valores obtenidos en los días
mencionados:
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
40
Durante estos días se elimina de media 7,47 gramos/día en el reactor MBBR y 4,45
gramos/día en el de Fangos Activos para un total de 11,92 gramos/día de DQO en el
proceso BAS, lo que supone una eliminación del 61,3 % de la DQO total.
4.3 Influencia del Caudal
A lo largo de los días del ensayo se ha variado el caudal que circula por el sistema,
aumentando o disminuyendo la potencia de funcionamiento del motor.
Dado que se observó que la bomba no funcionaba de forma regular a lo largo del día,
se decide que la forma más adecuada de realizar el control del caudal es a partir del
volumen de agua acumulado en el depósito de salida durante 24 horas.
Como ya se ha podido ir deduciendo, el valor del caudal tendrá una influencia directa
y muy significativa en la eficiencia del proceso BAS.
A continuación, en las Figuras 21 y 22 se representa el valor de la DQO en función
del caudal.
Figura 20. Eliminación de DQO durante el periodo de estabilidad
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
41
Figura 21. Influencia del caudal en el valor de DQO en el reactor MBBR
Figura 22. Influencia del caudal en el valor de DQO en el reactor de FA
A medida que disminuye el caudal la eficiencia del proceso BAS aumenta, ya que el
tiempo de residencia del agua residual en el sistema es mayor, de manera que hay
un mayor contacto entre los microorganismos y el influente por lo que la degradación
de materia orgánica es mayor y el tratamiento más efectivo. Si el caudal es muy
elevado, el tiempo que transcurre entre la entrada del influente y su salida del sistema
no es el suficiente para llevar a cabo un tratamiento eficaz por medio del proceso.
Sin embargo, si se trabaja con caudales alrededor de 0,3 L/hora (sección 4.2), se
pueden alcanzar porcentajes de eliminación por encima del 60 % de forma regular.
y = 5E-05x + 0,1683
0,15
0,17
0,19
0,21
0,23
0,25
0,27
0,29
0,31
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
Cau
dal
(l/
h)
DQO (mg/l)
y = 4E-05x + 0,2195
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Cau
dal
(l/
h)
DQO (mg/l)
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
42
4.4 Influencia de la Estequiometria de nutrientes
Una vez estabilizado el sistema y comprobada la influencia del caudal, se realizan
cambios en la relación de nutrientes del influente, pasando a trabajar con
estequiometrias de 100:2’5:0’5 y de 100:1’25:0’25; es decir, una reducción a la mitad
y a un cuarto respectivamente de la cantidad de nutrientes (urea y ácido fosfórico)
con la que se había trabajado inicialmente y manteniendo constante la cantidad de
fructosa incorporada.
De este cambio realizado se obtienen los valores que se presentan a continuación
en las Figuras 23 y 24:
Figura 23. Valor de DQO en reactor MBBR y de Fangos Activos para una reducción de nutrientes a la
mitad
y = 173,02x + 1947
y = 2258,8x + 546,99
0
500
1000
1500
2000
2500
0,25 0,3 0,35 0,4 0,45
DQ
O (
mg/
l)
Caudal (l/h)
DQO MBBR (mg/l) DQO FA (mg/l)
Lineal (DQO MBBR (mg/l)) Lineal (DQO FA (mg/l))
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
43
Figura 24. Valor de DQO en reactor MBBR y de Fangos Activos para una reducción de nutrientes a la
cuarta parte
Se demuestra nuevamente la influencia del caudal de forma inversamente
proporcional, a mayor caudal menor eliminación de los niveles de DQO.
En lo que se refiere a la eficiencia del proceso BAS con estas nuevas estequiometrias,
se puede decir que para la reducción de los nutrientes a la mitad o a una cuarta parte,
la eliminación de DQO se reduce ligeramente:
(i) Con una relación de nutrientes 100:5:1 el rendimiento total del sistema es del
61% siendo un 38% en el MBBR y un 23 % en el reactor de Fangos Activos.
(ii) Con una relación de nutrientes 100:2,5;0,5 el rendimiento total del sistema
es del 55 % siendo un 33% en el MBBR y un 22% en el reactor de Fangos
Activos.
(iii) Con una relación de nutrientes 100:1,25:0,25 el rendimiento total del sistema
es del 53 % siendo un 32% en el MBBR y un 21% en el reactor de Fangos
Activos.
Para ambos casos (100:2,5:0,5 y 100:1,25:0,25) se consiguen resultados similares,
se mantiene la eficiencia en la fase de fangos activos con respecto a la estequiometria
original (100:5:1), mientras que en la fase del pre-tratamiento con reactor MBBR la
eficiencia se ve reducida ligeramente en torno al 5%, debido a la necesidad de materia
orgánica para el crecimiento de microorganismos en los soportes móviles.
y = 2447,6x + 1002,4
y = 3098,9x + 184,63
0
500
1000
1500
2000
2500
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
DQ
O (
mg/
l)
Caudal (l/h)
DQO MBBR (mg/l) DQO FA (mg/l)
Lineal (DQO MBBR (mg/l)) Lineal (DQO FA (mg/l))
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
44
No obstante, la eficiencia media del sistema BAS se mantiene por encima del 50 %,
lo que permite concluir que el sistema BAS permite trabajar con una cantidad de
nutrientes más baja que los sistemas convencionales, lo que supone un importante
ahorro económico y una de las principales ventajas de este sistema.
A continuación, en la Figura 25 se presenta una gráfica que permite comparar las 3
diferentes estequiometrias que se han analizado:
Figura 25. Porcentaje de DQO eliminado para las 3 estequiometrias analizadas en reactor MBBR y
de Fangos Activos
4.5 Análisis Multivariante
En este apartado se analizará cómo afecta de manera conjunta las dos variables de
influencia estudiadas: el caudal y la carga de nutrientes sobre la degradación de
materia orgánica del influente.
Se muestra a continuación en las Figuras 26 y 28 los diagramas de superficie de las
dos etapas estudiadas, MBBR y FA respectivamente y en las Figuras 27 y 29 se
muestran las gráficas donde se compara los valores de DQO estimados frente a los
observados tras realizar un análisis con el programa Stats Graphics.
En la fase MBBR se presentan los resultados de ajustar un modelo de regresión lineal
múltiple para describir la relación entre una variable dependiente (DQO) y 2 variables
independientes (caudal y nutrientes).
0
5
10
15
20
25
30
35
40
MBBR FA MBBR FA MBBR FA
100:5:1 100:2,5:0,5 100:1,25:0,25
DQ
O e
limin
ada
(%)
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
45
La ecuación del modelo ajustado es:
DQO = -412,678 + 9231,38*Caudal – 110,049*Nutrientes
Dicha ecuación de ajuste presenta un error absoluto medio (MAE) de 183,397 mg/L
de DQO con un valor de R2 del 51,0497 %.
Para determinar si el modelo puede simplificarse, note que el valor-P más alto de las
variables independientes es 0,0385, que corresponde a Nutrientes. Puesto que el
valor-P es menor que 0.05, ese término es estadísticamente significativo con un nivel
de confianza del 95.0%.
Este valor-P de las 2 variables independientes; así como, la ecuación característica
obtenida a través del ajuste realizado, permite observar una relevancia de las 2
variables, pero una dependencia mucho mayor de la variable caudal que de la variable
nutrientes para obtener el valor de DQO en la etapa MBBR.
Figura 26. Diagrama de Superficie reactor MBBR
DQO=-412.678+9231.38*Caudal-110.049*Nutrientes
R2= 51.0497 %
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
46
Figura 27. Gráfica de DQO de Observado vs predicho en reactor MBBR
Al igual que en la fase MBBR, en la fase de FA, se muestran los resultados de ajustar
un modelo de regresión lineal múltiple para describir la relación entre una variable
dependiente (DQO) y 2 variables independientes (caudal y nutrientes). La ecuación
del modelo ajustado en este caso es:
DQO = 411,01 + 3129,85*Caudal – 60,698*Nutrientes
Dicha ecuación de ajuste presenta un error absoluto medio (MAE) de 118,366 mg/L
de DQO con un valor de R2 del 52,501 %.
Para determinar si el modelo puede simplificarse, note que el valor-P más alto de las
variables independientes es 0.0856, que corresponde a Nutrientes. Puesto que el
valor-P es mayor o igual que 0.05, ese término no es estadísticamente significativo
con un nivel de confianza del 95.0% o mayor.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
47
En este caso el valor-P y la ecuación característica obtenida del ajuste, no solo
demuestra una mayor importancia del valor del caudal como en la fase MBBR, sino
que, en la fase de Fangos Activos la variable nutrientes pierde relevancia hasta el
punto de poder ser despreciada para determinar el valor de DQO.
Figura 28. Diagrama de Superficie del reactor de Fangos Activos
Figura 29. Gráfica de DQO de Observado vs predicho en reactor de Fangos Activos
DQO= 411.01 + 3129.85*Caudal - 60.698*Nutrientes
R2= 52.501 %
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
48
4.6 Sólidos en Suspensión y pH
4.6.1 Sólidos en Suspensión Totales
Además del análisis de DQO, semanalmente se han ido recogiendo muestras para
analizar la cantidad de sólidos presentes en cada una de ellas. Los puntos de análisis
a lo largo del sistema han sido tres: depósito MBBR, depósito de Fangos Activos y
salida final del sistema.
La formación de sólidos suspendidos totales en el proceso es afectada por varios
factores internos como por ejemplo la no correcta agitación de los reactores, es decir,
si no existe una buena agitación, el cizallamiento existente entre los soportes es
menor lo que provoca que no se desprenda biomasa de ellos. Por este motivo, cuando
existe presencia de acumulación de biomasa se desprenden grandes cantidades de
biomasa de golpe.
Para el cálculo de sólidos del sistema, se ha utilizado el método explicado en la
sección 3.3 del presente documento, basado en la diferencia de peso de un filtro seco
frente al filtro impregnado de la muestra recogida. Aplicando dicho método los
resultados son los que se muestran en la Tabla 6.
Comparando los resultados de los 3 puntos de recogida, se puede observar que las
muestras tomadas en el depósito de fangos activos presentan valores más elevados
que las recogidas tanto en el depósito del MBBR como en la salida del sistema. La
recirculación de fangos genera un cultivo mixto en el reactor de fangos activos, donde
se combinará la biomasa en suspensión con la biopelícula generada en el reactor de
lecho móvil previo, convirtiéndose en el lugar donde mayor cantidad de materiales
suspendidos encontramos. El depósito de fangos activos es también de los 3 puntos
de recogida el que mayor variabilidad presenta en sus resultados. Esto se debe a que
la recirculación de sólidos en el reactor se realiza de forma periódica con una bomba
de aire con temporizador, por tanto, en función del momento en el que se realice la
recogida de la muestra (justo tras la recirculación o pasado un tiempo) la cantidad de
sólido será mayor o menor. A esto hay que sumarle que la purga tampoco se realiza
de forma regular si no de forma periódica según la acumulación de sólido decantado.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
49
Tabla 6. Sólidos en Suspensión Totales en los 3 puntos de recogida
Procedencia Caudal Sólidos(mg/L)
MBBR
0,313 60
0,27 80
0,29 220
0,25 200
0,247 146,67
0,265 13,33
0,274 26,67
0,268 213,33
0,253 253,33
0,33 93,33
0,44 100
0,27 113,33
0,35 20
0,455 153,33
0,33 206,67
FA
0,27 310
0,29 220
0,25 406,67
0,247 206,67
0,265 260
0,274 126,67
0,268 200
0,253 493,33
0,385 306,67
0,393 253,33
0,33 173,33
0,41 306,67
0,31 226,67
0,26 80
0,25 46,67
Salida
0,313 175
0,27 280
0,29 300
0,25 473,33
0,247 186,67
0,265 113,33
0,274 66,67
0,268 106,67
0,253 220
0,33 180
0,44 80
0,27 53,33
0,35 80
0,455 280
0,33 160
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
50
Estos valores se representan a continuación en la Figura 30:
Figura 30. Sólidos en Suspensión Totales en los 3 puntos de recogida
Para ver la evolución a lo largo de los días y en función de los cambios de la
estequiometria de nutrientes, se van a analizar los resultados obtenidos de las
muestras de efluente; es decir, los sólidos en suspensión totales que encontramos en
el agua de salida del sistema. Resultados representados en la Figura 31:
Figura 31. Sólidos en Suspensión Totales a la Salida del Sistema
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
mg/
l
Número de Muestra
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
51
Inicialmente, con la estequiometria 100:5:1 y con el sistema BAS sin estabilizar, los
valores de sólidos son sensiblemente más elevados superando valores de 200 mg/L
hasta mediados de mayo (muestras 1 a 4). Al igual que pasaba en el análisis de DQO
a partir de la semana 8 de trabajo los valores se van regulando y la eficiencia del
sistema mejora. Cuando el sistema se ha estabilizado, si se trabaja en condiciones
regulares a lo largo de los días, el proceso BAS es capaz de funcionar de forma
eficiente y con resultados similares.
Por último, se han analizado 2 muestras a microscopio de las extraídas de la purga
del depósito de Fangos Activos. La primera de las primeras semanas de trabajo y la
segunda con el sistema comportándose de forma regular, fotografías que se muestran
a continuación en las Figuras 32,33 y 34.
Figura 32. Sólidos a microscopio primeras semanas de trabajo
Figura 33. Sólidos a microscopio sistema estabilizado Figura 34. Sólidos a microscopio sistema estabilizado(2)
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
52
Las fotografías de las Figuras 32,33 y 34 son una muestra más de la evolución y
mejora del sistema cuando éste ha madurado. En la fotografía de las primeras
semanas de trabajo, aparecen muchos filamentos y pocas colonias de bacterias; sin
embargo, con el sistema ya estabilizado, siguen apareciendo partículas filamentosas,
pero hay un equilibrio entre ellas y las bacterias. Como ya se ha dicho con
anterioridad, las bacterias filamentosas y bacterias libres “free-living” producen
flóculos pequeños y dispersos con malas propiedades de decantación dando lugar en
el efluente tratado, descarga de sólidos, materiales orgánicos y nutrientes,
disminuyendo la eficiencia del tratamiento biológico.
4.6.2. Control del pH
El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la
concentración de iones hidrógeno [H]+ presentes en determinadas disoluciones.
Para llevar a cabo la medida del pH de las muestras, se ha utilizado un potenciómetro,
también conocido como p-achímetro. Las muestras sobre las que se ha medido el
nivel de pH corresponden a las salidas del MBBR (S1) y la salida final del sistema(S2).
Los resultados obtenidos son los representados a continuación en las Figuras 35 y
36.
Figura 35. pH del MBBR para las 3 estequiometrias analizadas
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
53
Figura 36. pH a la salida del Sistema para las 3 estequiometrias analizadas
Como se puede observar en la Figura 35, el valor de pH a la salida del reactor MBBR
es más elevado con la estequiometria inicial de trabajo, con un valor medio de 5,34,
mientras que al reducir los nutrientes a la mitad y a la cuarta parte de la estequiometria
inicial el valor del pH se ve reducido a valores medios de 4,59 y 4,55 respectivamente.
Por otro lado, en la salida final (valores representados en la Figura 36), con la
estequiometria inicial el valor medio de pH es de 5,96 viéndose reducido a 5,1 y 4,95
cuando se reduce a la mitad y a la cuarta parte los nutrientes del influente.
A la hora de realizar la medición del pH se presentan varios inconvenientes:
1- El nivel de pH varía mucho con la temperatura. Por ello, es conveniente
mantener todas las muestras a temperatura ambiente antes de realizar el
análisis de pH para evitar estas oscilaciones.
2- En ocasiones el volumen de muestra es reducido dado que se parte de
muestras que se han filtrado y utilizado para su análisis de DQO y sólidos en
suspensión. Esto puede causar fluctuaciones en la medida de pH.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
54
5.CONCLUSIONES
En el presente Trabajo de Fin de Grado, se ha puesto a punto el sistema BAS para
tratamiento de aguas residuales industriales (ARI) con características que se
asemejan a las aguas industriales del sector de pasta y papel. Para ello, a escala
laboratorio, se ha utilizado agua sintética compuesta por fructosa (aportador de DQO),
urea y ácido fosfórico (nutrientes). Este trabajo nos permite llegar a las siguientes
conclusiones:
El sistema experimental funciona adecuadamente, pero necesita un proceso
de maduración en el que los soportes móviles hayan creado la suficiente
biomasa para la eliminación de DQO en el reactor MBBR y para que la
cantidad y calidad de los lodos sea la adecuada en el reactor de Fangos
Activos.
El MBBR funciona con una eficiencia media del 38 % y el reactor de Fangos
Activos del 23 % haciendo que el proceso BAS alcance una eficiencia media
del 61 % con picos máximos de hasta el 72%.
Se ha analizado la influencia del caudal sobre la demanda química de oxígeno
en el sistema (DQO) y se ha observado cómo a medida que disminuye el
caudal la eficiencia del proceso BAS aumenta, ya que el tiempo de residencia
del agua residual en el sistema es mayor, de manera que hay un mayor
contacto entre los microorganismos y el influente por lo que la degradación de
materia orgánica es mayor y el tratamiento más efectivo.
Se ha analizado la influencia de la concentración de nutrientes del influente
para la reducción de los nutrientes a la mitad (100:2’5;0’5) o a una cuarta parte
(100:1’25:0’25). Para ambos casos se consiguen resultados similares, se
mantiene la eficiencia en la fase de fangos activos con respecto a la
estequiometria original (100:5:1), mientras que en la fase del pre-tratamiento
con reactor MBBR la eficiencia se ve reducida ligeramente en torno al 5%,
debido a la necesidad de materia orgánica para el crecimiento de
microorganismos en los soportes móviles. No obstante, la eficiencia media del
sistema BAS se mantiene por encima del 50 %, lo que permite concluir que el
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
55
sistema BAS permite trabajar con una cantidad de nutrientes más baja que los
sistemas convencionales.
Se ha hecho un análisis multivariante conjunto para estudiar en qué medida
afecta cada una de las variables y se ha observado que en la fase MBBR la
influencia de la variable caudal es mucho mayor que la importancia de la
variable nutrientes sobre el valor de DQO. Mientras que en la fase de Fangos
Activos no solo es más relevante la variable caudal; sino que, la variable
nutrientes puede ser despreciada para la determinación del valor de DQO.
Rubén Riancho López Análisis del Proceso BAS
56
6.REFERENCIAS
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