Estudio comparativo de complementos alimenticios para aguas residuales

por Justin Hall de UW-Steven's Point.

Resumen

El Instituto Wisconsin de Tecnología Sostenible (WIST) es un departamento de la Facultad de Recursos Naturales de la Universidad de Wisconsin - Campus de Stevens Point, situado en Stevens Point, Wisconsin. El Instituto Wisconsin de Tecnología Sostenible ofrece investigación, servicios de laboratorio y formación a empresas e industrias. A través de nuestra investigación por contrato, trabajamos con empresas como Aquafix para aportar nuevas ideas e innovación a sus respectivas industrias. 

Aprovechando el éxito de la primera ronda de experimentos, Aquafix se puso en contacto con el Instituto Wisconsin de Tecnología Sostenible (WIST) para realizar ensayos adicionales. Inicialmente, Aquafix se puso en contacto con el WIST para evaluar su producto SmartBOD y su eficacia como fuente de carbono para las instalaciones de tratamiento de aguas residuales. Aquafix quería una evaluación independiente de SmartBOD por parte de terceros. Estas fuentes de carbono son beneficiosas cuando las plantas de aguas residuales tienen problemas con una baja relación F:M, necesitan recuperarse de una alteración o desean reducir los niveles de nutrientes en el efluente.

Tras actualizar su fórmula, Aquafix quiso probar la eficacia de su nuevo producto como fuente de carbono para el tratamiento de aguas residuales frente a una fuente de carbono a base de glicerina. 

Diseño experimental

Utilizamos dos reactores discontinuos del estudio anterior. Construidos con tubos de PVC de 6 pulgadas, los reactores tienen un volumen total de 7 litros y un volumen de trabajo de 5 litros. Los reactores tienen microcontroladores que controlan el oxígeno disuelto, el pH y la temperatura. Estos microcontroladores también controlan las bombas de alimentación, las bombas de derroche, las bombas de dilución y la mezcla por encima de la cabeza. El personal del WIST diseñó una interfaz de pantalla táctil personalizada para controlar y supervisar los reactores. En la figura 1 se muestra un esquema del diseño de los reactores.

Figura 1: Esquema de diseño de los reactores discontinuos

Condiciones experimentales

A los reactores se les añade una fuente de carbono como alimento para los microorganismos responsables del tratamiento de las aguas residuales. El experimento pretendía comprobar la eficacia del SmartBOD de Aquafix frente a una fuente de carbono a base de glicerina.

Los reactores disponen de controles para supervisar el pH, el oxígeno disuelto y la temperatura. La interfaz de control del reactor permitió establecer límites de control para el pH y el oxígeno disuelto. El uso de la adición de ácido/base y de una bomba de aire permitió a la interfaz de control de los reactores mantener estos valores dentro de los límites. Los reactores no tienen control para la temperatura, sólo monitorización. Una interfaz de tarjeta SD registra todas las lecturas de pH, oxígeno disuelto y temperatura.

Establecimos las condiciones del experimento tras discutirlas con Aquafix. 

Tabla 1: Condiciones experimentales en reactores discontinuos

Los reactores completan tres ciclos diarios, cada uno de los cuales dura ocho horas. La figura 2 detalla los pasos del ciclo.

Figura 2: Ciclo del reactor

Métodos de ensayo

Se realizaron pruebas para los siguientes analitos: amonio, fósforo reactivo soluble, demanda química de oxígeno, sólidos en suspensión en licor mezclado, sólidos en suspensión en efluente e índice de volumen de lodos. La tabla 2 enumera el método de ensayo estándar utilizado.

Tabla 2: Lista de métodos normalizados

Resultados y debate

Amonio y fósforo reactivo soluble

El amonio y el fósforo reactivo soluble son dos nutrientes que se miden en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Los análisis de estos nutrientes se realizaron en los efluentes de los reactores. El reactor de fuente de carbono a base de glicerina presentó niveles bajos pero detectables de amonio, sin que hubiera ninguno presente (salvo el inicial) en el reactor SmartBOD (Tabla 3, Figura 3).

El fósforo, medido como SRP se presentó en ambos reactores (Tabla 4, Figura 4). Las concentraciones en ambos reactores aumentaron durante el estudio. El reactor con la fuente de carbono a base de glicerina presentó la mayor concentración final de SRP.

Tabla 3: Concentraciones de amonio en el efluente del reactor

Figura 3: Concentraciones de amonio en el efluente del reactor

Demanda química de oxígeno

La demanda química de oxígeno (DQO) en el efluente del reactor es un indicador de la eficacia del proceso de tratamiento de aguas residuales. El personal del WIST analizó la DQO en el efluente del reactor, con los resultados que figuran en la Tabla 4 y la Figura 5. Los niveles de DQO en los efluentes de los reactores eran similares al inicio del experimento. Sin embargo, los niveles de DQO en el reactor que utilizaba la fuente de carbono a base de glicerina aumentaron durante la segunda mitad del experimento. Este aumento indicaría que la capacidad del MLSS para tratar las aguas residuales está disminuyendo. Los niveles de DQO en el efluente del reactor utilizando SmartBOD permanecieron constantes. Esta eliminación estable y continua de DQO indica que el MLSS es eficaz en su tratamiento.

Figura 4: Concentraciones de SRP en el efluente del reactor

Demanda química de oxígeno

La demanda química de oxígeno (DQO) en el efluente del reactor es un indicador de la eficacia del proceso de tratamiento de aguas residuales. El personal del WIST analizó la DQO en el efluente del reactor, con los resultados que figuran en la Tabla 4 y la Figura 5. Los niveles de DQO en los efluentes de los reactores eran similares al inicio del experimento. Sin embargo, los niveles de DQO en el reactor que utilizaba la fuente de carbono a base de glicerina aumentaron durante la segunda mitad del experimento. Este aumento indicaría que la capacidad del MLSS para tratar las aguas residuales está disminuyendo. Los niveles de DQO en el efluente del reactor utilizando SmartBOD permanecieron constantes. Esta eliminación estable y continua de DQO indica que el MLSS es eficaz en su tratamiento.

Índice de volumen de lodos

El índice de volumen de lodos (IVS) es una métrica adicional utilizada para cuantificar la salud de los MLSS. El IVS es el volumen de sólidos ocupado tras un periodo de 30 minutos sedimentación . Esta prueba describe la capacidad del MLSS para sedimentar y compactarse. Los valores de IVS tienden a diferir de un proceso de tratamiento a otro. Se han publicado directrices generales que se indican en el cuadro 6.

Figura 5: Valores de la demanda química de oxígeno en el efluente del reactor

El índice inicial de volumen de lodos en las aguas residuales tenía un valor de 235 mL/g, ligeramente por encima del rango óptimo según las directrices. No creemos que esto sea motivo de preocupación, ya que sólo está ligeramente por encima del rango alto de 200 mL/g para un lodo óptimo sedimentación. El IVS del reactor SmartBOD se mantuvo estable en torno a 200 mL/g. El personal del WIST observó una buena formación de flóculos durante la prueba. El IVS para la fuente de carbono a base de glicerina tendió a la baja durante el experimento. Los flóculos se volvieron densos y compactados al final del experimento.

Tabla 7: Índice de volumen de lodo de licor mezclado

Figura 6: Índice de volumen de lodos de licor mezclado

Sólidos en suspensión

Los sólidos en suspensión de licor mixto son otra prueba que ayuda a cuantificar la salud de los lodos de aguas residuales. Las pruebas de MLSS se realizan periódicamente. La prueba de MLSS se realiza por dos razones: en primer lugar, permite al personal del WIST saber qué cantidad de MLSS debe desecharse y, en segundo lugar, da una idea de la salud de los lodos a lo largo del tiempo. Los operadores de aguas residuales mantienen el MLSS a un nivel constante. Para ello, es necesario desperdiciar o eliminar periódicamente una parte de los lodos.

El personal del WIST realizó mediciones de MLSS para determinar las cantidades de desperdicio. El valor objetivo para MLSS durante este experimento fue de 1500 mg/L. Los resultados de MLSS, listados en la Tabla 8, fueron valores previos al desperdicio. Estos valores permitieron al personal del WIST calcular la cantidad de lodo a retirar de los reactores.

Se produjo un crecimiento continuo de MLSS en el reactor alimentado con SmartBOD. Esto indica que los microorganismos presentes tienen suficiente alimento y nutrientes para multiplicarse. La eliminación continua de lodos también reduce la edad de los mismos. El reactor alimentado con la fuente de carbono a base de glicerina no tuvo la cantidad de crecimiento de MLSS observada en el reactor SmartBOD. El reactor con la fuente de carbono a base de glicerina tuvo una disminución gradual de MLSS durante el estudio.

Cuadro 8: MLSS antes del despilfarro

Figura 7: MLSS antes del despilfarro

Cuadro 9: Sólidos en suspensión en el efluente

Figura 8: Sólidos en suspensión en el efluente

Conclusión

La adición de SmartBOD como fuente de carbono superó a la fuente de carbono a base de glicerina en términos de eliminación de DQO, sedimentación, formación de flóculos y eliminación de amonio. No hubo una clara ventaja en la eliminación de fósforo. Las pruebas de este estudio apoyan que SmartBOD es una fuente eficiente de carbono para las plantas de tratamiento de aguas residuales en comparación con la fuente de carbono a base de glicerina.