biorreactor a escala piloto

POSTRATAMIENTO DEL EFLUENTEDE UN REACTOR UASB POR MEDIO

DE UN HUMEDAL ARTIFICIAL

Carlos R. Lara1, Jaime Díaz2,Olga Lucía Usaquén3, Liliana Forero3

1 Jefe del laboratorio de análisis ambiental y profesor de ingeniería sanitaria y ambiental deUNIBOYACÁ.

2 Docente ingeniería sanitaria y ambiental y decano de la Facultad de Ciencias e Ingeniería deUNIBOYACÁ.

3 Estudiantes graduadas. Carrera ingeniería sanitaria y ambiental - UNIBOYACÁ.

276 Lara, Díaz, Usaquén y Forero

Postratamiento del efluente de un reactorUASB por medio de un humedal artificial

RESUMEN

Se presenta la experiencia sobre la evaluación de un sistemade postratamiento de aguas residuales domésticas tratadas pre-viamente en un reactor anaerobio UASB, conformado por unhumedal artificial de flujo subsuperficial (SFS). El sistema fue cons-truido en el año 1997 y fue evaluado hasta el mes de febrero de1999. Las características más relevantes del sistema son: tiemposde detención en los espacios intersticiales del material de sopor-te, variados entre 0.9 días y 3 días; material vegetal utilizado parael tratamiento, junco (Typha dominguesis). Las eficiencias pro-medio de remoción encontradas durante toda la evaluación, estu-vieron al rededor de los siguientes valores: demanda química deoxígeno (DQO), 51.7%; demanda bioquímica de oxígeno (DBO5),

277Postratamiento del efluente de un reactor UASB por medio de un humedal artificial

45.1%; Nitrógeno total, 15.0%; Fósforo total, 31.0%, sólidos sus-pendidos totales (SST), 88.6% y sólidos totales (ST), 22.5%. Enel humedal artificial se hizo una caracterización biológica tendientea identificar aquellos organismos de vida acuática que se desarro-llan en el ambiente de las aguas residuales con pocos niveles deoxígeno.

PALABRAS CLAVE

Postratamiento, humedal, nutrientes, Typha dominguesis.

INTRODUCCIÓN

La implementación de sistemas de postratamiento de agua re-sidual doméstica por medios biológicos, como la vegetación desa-rrollada sobre sustratos de terreno gravoso o arenoso, tolerante acondiciones especiales de humedad, disponibilidad de nutrientes yoxígeno, permite la degradación de materia orgánica y la transfor-mación de nutrientes en formas asimilables por la vegetación o fá-cilmente retornables a la atmósfera

Las alternativas de tratamiento de las aguas residuales, invo-lucran un sin número de aplicaciones de las funciones ecosistémicasde los humedales naturales, en el diseño de reactores que simulanlos mecanismos de transformación que ocurren en ellos. Este tipode tecnología natural permite remociones importantes de materiaorgánica, nutrientes y microorganismos patógenos mediante pro-cesos bioquímicos o físicos que se originan en la rizósfera, graciasa la relación simbiótica existente entre las plantas acuáticas y las


bacterias autótrofas y heterótrofas que colonizan las raíces de lasplantas y el medio de soporte; igualmente en el sustrato ocurrenmecanismos de filtración, sedimentación, absorción, atrapamiento,flotación, evaporación, volatilización, depredación y precipitaciónquímica entre otros.

El proceso principal de depuración es realizado por comuni-dades bacterianas que aprovechan la aireación natural inducida porlas plantas acuáticas emergentes, en las reacciones fotosintéticas,fotooxidantes y de asimilación.

La perspectiva histórica ilustra el desarrollo relativamente re-ciente de las tecnologías de tratamiento con humedales a gran es-cala (cerca de 20 años en 1995). Las técnicas de remoción biológicade nutrientes fueron desarrolladas desde 1970 y por lo tanto se re-quiere optimización, estudios intensivos y evaluaciones confiablesque permitan aprovechar al máximo estos mecanismos de depura-ción potencial.

MATERIALES Y MÉTODOS

Características del agua a tratar

El agua afluente al humedal fue previamente tratada en un reac-tor anaerobio UASB, el cual tiene una capacidad aproximada de 32m3, dos compartimientos en serie y un tiempo hidráulico de resi-dencia (THR) actual aproximado a 9 horas.

El agua residual tiene origen doméstico y es tomada de un emi-sario final del barrio Los Muiscas de la ciudad de Tunja. Las ca-


racterísticas del agua residual cruda son fuertes, ya que las con-centraciones promedio de DQO y DBO5 están al rededor de 740 y490 mg/l, respectivamente. Esto hace que el agua tratada, afluenteal sistema de postratamiento, presente en ocasiones, valores dema-siado elevados en cuanto a la concentración de materia orgánica.En la tabla 1 se presentan los valores promedio de los parámetrostenidos en cuenta para la evaluación del humedal, medidos a la sa-lida del reactor UASB (entrada al postratamiento), para diferentesperíodos operativos.

Tabla 1Características del agua residual afluente al humedal artificial

(promedio ± desviación estándar)

* Los parámetros Fósforo total y Nitrógeno total solamente fueron evaluados durantela primera fase (THR: 0.9 días) y sus valores promedio fueron 7.4 mg/l y 52.4 mg/lrespectivamente.

Descripción del humedal artificial

El agua residual tratada en el reactor UASB fue derivada a lasalida de éste hacia el humedal artificial mediante un elemento decontrol de flujo instalado inmediatamente después del efluente delreactor en mención. El control de caudal hacia la unidad de

Período

(THR) DQO (mg/l)

DBO5 (mg/l)

ST (mg/l)

SST (mg/l) pH NT

(mg/l) PT

(mg/l)

0.9 175.5 ±35.6

71.5 ± 37.7

377.3 ± 73.3

92.3 ± 85.5 ---- 52.4 ±

24.0 7.4 ± 1.7

1.0 110.1 ± 20.9

65.4 ± 14.1

396.2 ± 39.7

65.6 ± 17.7

7.5 ± 0.04 ---- ----

2.0 157.3 ± 35.6

73.5 ± 12.1

393.2 ± 61.5

69.7 ± 19.8

7.4 ± 0.09 ---- ----

3.0 121.4 ± 54.4

38.5 ± 15.4

286.7 ± 53.6

49.2 ± 12.3

7.1 ± 0.06 ---- ----


postratamiento se realizó mediante la manipulación de un registrode bola, debido a las variaciones permanentes de flujo en la entra-da del UASB; además se instaló un tanque de regulación desde elcual se controló el flujo hacia el humedal y se hizo constante. Lavariación del flujo en esta estructura permitió la variación del tiempode detención.

Para la construcción se realizó una excavación sobre el piso condimensiones: largo 6.80 m, ancho 2.00 m y profundidad 0.41 m lacual fue acondicionada de manera que el sistema no fuera a tenerdificultades operativas. Las paredes fueron protegidas con cemen-to simple para evitar su derrumbamiento, así como mediante apli-cación de Glifosán se previno el crecimiento de raíces de los pastoscircundantes. El piso de la excavación fue recubierto con capa deconcreto impermeabilizado en las zonas de entrada y salida, mien-tras que el área útil del humedal fue cubierta con una capa de arci-lla humedecida y sobre ella otra de arena fina lavada.

Finalmente, para aumentar la protección contra las infiltracionesse recubrieron tanto las paredes del humedal, como el fondo conun plástico grueso calibre 12.

Las cámaras de entrada y salida se limitaron mediante la edifi-cación de muros en ladrillo perforado a todo lo ancho del hume-dal. Además de separar el humedal de dichas zonas, los murosperforados aseguran una distribución uniforme del flujo en toda lasección transversal de la zona de postratamiento.

El afluente al humedal, derivado de la salida del reactor UASB,fue acoplado con la cámara de entrada sobre un embudo conecta-do a tubería PVC Æ 1”, la cual se encontró unida a una tubería

281Postratamiento del efluente de un reactor UASB por medio de un humedal artificial281 Rodrigo Correal Cuervo

PVC sanitaria Æ 3” perforada, desde donde el agua fluyó en senti-do longitudinal dentro del humedal. La altura del agua dentro delhumedal se controló con el sistema utilizado para la salida, que es-tuvo constituido por un niple de tubería PVCS f 2”, y que termi-naba en un codo de 90° del mismo diámetro. La altura del cododefinía, entonces, la altura del agua dentro del humedal.

La construcción del humedal artificial se hizo teniendo en cuentala ubicación de los tratamientos existentes y asegurando un fun-cionamiento a gravedad en todo momento. En la figura 1 se apre-cia un esquema de ubicación del humedal artificial.

Figura 1. Ubicación del humedal artificial

El material de soporte utilizado (sustrato) fue seleccionado deacuerdo al tipo de flujo establecido (subsuperficial) y al materialvegetal instalado. Los parámetros que se tuvieron en cuenta fue-ron, de acuerdo con METCALF y EDDY (1995):


Substrato : arena gravosaDiámetro del grano : 8 mmPorosidad : 0.35Conductividad hidráulica : 500 m3/m2-d.

La cubierta vegetal utilizada para el postratamiento fue jun-co, teniendo en cuenta que sus raíces penetran hasta una profun-didad máxima de 0.30 m. La clasificación de las plantas, Typhadominguesis, es la siguiente:

Clase : MonocotiledoneaOrden : PandanalesFamilia : TyphaceaeGenero : Typha

Evaluación

El humedal artificial fue arrancado en el mes de agosto de 1997y desde entonces fue evaluado hasta comienzos del año 1999. Losparámetros de calidad caracterizados tanto a la entrada como a lasalida del sistema fueron: nutrientes (N y P), presencia de materiaorgánica (DQO, DBO5), oxígeno disuelto, sólidos totales, tempera-tura, pH y caudal.

La determinación de los parámetros se hizo luego de reali-zar muestreos compuestos en un tiempo de 3 horas, con una fre-cuencia de 3 veces por semana. Las muestras compuestas fuerontomadas en el afluente al humedal y el efluente del mismo. Las de-terminaciones se hicieron de acuerdo con AWWA (1995).


Al inicio de la evaluación se realizó un balance hídrico en unperíodo de 24 horas con el fin de verificar la estanqueidad y au-sencia o presencia de filtraciones en la estructura. El resultado deesta prueba fue positivo, no encontrándose variaciones significati-vas entre las medidas de caudal afluente y efluente.

Se hizo una caracterización del humedal por medio de orga-nismos indicadores, lo que condujo a un conocimiento aproxima-do de los grupos de bacterias, hongos, algas y otros organismosrepresentativos del sistema artificial alimentado con el efluente delreactor UASB. Para ello se siguió como metodología de identifica-ción la siguiente: toma de muestras, siembra inicial, aislamiento eidentificación y discusión e interpretación. Para las siembras se uti-lizaron medios de cultivo especiales según el grupo de organismosa identificar.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Evaluación físico – química

El humedal fue arrancado operando en su primera fase(febrero – septiembre de 1998) con un tiempo medio de reten-ción entre los poros intersticiales de 0.90 días, alimentado paraello con un caudal promedio de 0.0252 l/s. El THR fue variadoa partir de allí en tres oportunidades más. En la tabla 2 se pre-sentan las diferentes condiciones operacionales del humedalartificial.


Tabla 2Variación de las condiciones operacionales del humedal

Parámetros tales como el Fósforo total y el Nitrógeno total úni-camente fueron medidos en la primera fase de evaluación (THR:0.9 días). Las eficiencias de remoción de estos dos nutrientes fue-ron de 31% y 15% respectivamente. Se tomó la decisión de noevaluar más estos parámetros debido a la imposibilidad de al-canzar tiempos hidráulicos de retención lo suficientemente al-tos para aumentar su remoción. Crites (1994) considera que parala remoción de Nitrógeno total, el THR debe estar aproximada-mente entre 8 y 14 días, mientras que para Fósforo total, entre15 y 20 días. En la tabla 3 se presenta la variación de la eficien-cia de remoción para las diferentes condiciones operativas delhumedal.

Tabla 3Variación de las eficiencias de remoción para diferentes

condiciones operativas (promedio ± desviación estándar)

Período (días)

Caudal (l/s)

THR (días)

0 - 237 0.0252 0.90 238 - 254 0.0225 1.00 255 - 277 0.0113 2.00 278 – 296 0.0075 3.00

Período (THR)

DQO (mg/l)

DBO5 (mg/l)

ST (mg/l)

SST (mg/l)

0.9 38.4 ± 11.7 35.7 ± 29.9 18.8 ± 13.4 42.5 ± 49.7 1.0 64.5 ± 13.5 43.5 ± 13.1 23.3 ± 5.7 95.1 ± 4.9 2.0 46.8 ± 9.5 56.1 ± 10.4 25.3 ± 7.6 90.9 ± 3.3 3.0 45.0 ± 12.3 45.0 ± 17.9 ---- 79.7 ± 15.6


En las figuras 2 y 3 se presenta la variación de las eficienciasde remoción de DQO y DBO5 conforme al cambio en el tiempo deresidencia dentro de la unidad de postratamiento.

Figura 2. Variación de la eficiencia de remoción de DQO para diferentescondiciones operativas (promedio ± desviación estándar)

Figura 3. Variación de la eficiencia de remoción de DQO para diferentescondiciones operativas (promedio ± desviación estándar)


De otra parte, la transferencia de oxígeno hacia el sistema sehace notoria a lo largo de toda la evaluación, si se tienen en cuentalos valores reportados por mediciones efectuadas a la entrada y sa-lida del humedal. Como se puede apreciar en la tabla 4, durantetodo el período evaluado se logró un incremento del oxígeno di-suelto en el agua proveniente del efluente del reactor UASB, hastaen un 100% o más. Esto demuestra la funcionalidad de la unidadde tratamiento en cuanto a la transferencia de oxígeno a través delsistema radicular de las plantas.

Tabla 4Variación del oxígeno disuelto afluente – efluente del humedal

artificial, para diferentes condiciones operativas(promedio ± desviación estándar)

Caracterización biológica

La caracterización de humedales por medio de bioindicadorespermite complementar la evaluación hecha desde el punto de vistafísico y químico, ya que las variaciones en la microflora y micro-fauna existente permanecen en el sistema por un tiempo prolonga-do, incluso después de la suspensión de los vertimientos de aguasresiduales. En sistemas de flujo continuo, como es el caso del hu-medal evaluado, esta caracterización constituye una herramientaadicional en la evaluación de la calidad del agua efluente del siste-

Período (días)

O.D. afluente (mg/l)

O.D. efluente (mg/l)

1.0 2.79 ± 0.82 4.65 ± 0.94 2.0 2.60 ± 0.79 4.98 ± 0.44 3.0 3.60 ± 0.95 4.52 ± 0.62


ma, debido a que la identificación de organismos indicadores pre-sentes en las diferentes zonas del humedal, permite evidenciar losprocesos que ocurren al interior del mismo.

Los humedales proporcionan condiciones ambientales favo-rables para el crecimiento y reproducción de organismos microscópi-cos, principalmente bacterias y hongos, los cuales son responsablesde la asimilación, transformación y reutilización de constituyen-tes de las aguas residuales. Las algas son otro grupo importantecomo organismo fotosintetizador presente en gran número, ya queforman parte de la base de la cadena trófica como productoresprimarios del humedal, al tiempo que florecen por la presenciade nutrientes provenientes del agua residual. Estas algas perma-necen en el sistema, adheridas al lecho de soporte de las plantasemergentes.

Para la caracterización biológica del humedal se analizó lapresencia de estos tres tipos de organismos principalmente, yaque por tener éste una amplia cobertura vegetal, sirve de hábitatpara una entomofauna alóctona, la cual no tuvo prevalencia enel ensayo.

Para el estudio de bacterias se tuvo en cuenta tanto las de vidalibre como las aerobias y anaerobias. Para la caracterización setrabajó con medios selectivos y diferenciales, en tres etapas quefueron siembra – aislamiento – identificación, reportando losdatos que se incluyen en la tabla 5.


Tabla 5Bacterias identificadas en el humedal

Los hongos como organismos saprobios importantes en larecirculación de materiales, permanecen estrechamente ligados a lasbacterias y ayudan a los procesos de estabilización del sistema.

La metodología empleada para la toma de muestras fue la mis-ma que se empleó para la recolección de muestras de bacterias; ais-lándose los siguientes géneros: Trichoderma, Fusarium, Mucor,Cladosporium y Epicoccum.

La tercera comunidad importante para la caracterización bioló-gica fue el planctón y el perifiton presente en todo el lecho de so-porte, aislándose organismos fitoplactónicos y zooplactónicos. Lasmuestras fueron tomadas en diferentes puntos, en el sentido longitu-dinal del humedal (punto 1 a 25% de la longitud, punto 2 a 50%de la longitud y punto 3 a 75% de la longitud; ubicados al 50% delancho) generando los datos consignados en las tablas 6 y 7.

Tipo de bacteria Bacterias identificadas De vida Libre Sulfobacterias

Ferrobacterias Aerobias y anaerobias facultativas (*: Anaerobias estrictas)

E. Coli Salmonella sp Shiguella sp Enterobacter sp Klebsiella sp Pseudomona sp Citrobacter sp Peptoestreptococcus* Veillonella* Sarcina Fusobacterium*


Tabla 6Plancton en el humedal artificial

Tabla 7Perifiton en el humedal artificial

Plancton Fitoplancton Zooplancton

Afluente Efluente Efluente Scenedesmus Euglena Vorticella

Oscillatoria Lepocinclis Philodina Lepocinclis Oscillatoria Trachelomonas

Euglena Bodo Chlorococcum Diflugia

Chlorella Larva de culex pipiens Sphaerocystis

Nitzschia Stauroneis

Perifiton Afluente Punto 1 Punto 2 Punto 3 Efluente

Lepocinclis Nitzschia Chlorococcum Nostoc Lepocinclis Euglena Chlorococcum Diatoma Navicula Anabaena

Chlorococcum Navicula Nostoc Fragilaria Chlorococcum Chlorella Diatoma Diatomeas Euglena

Microcystis Pinnularia Pinnularia Chlorococcum Nostoc Nitzschia Nitzschia Chlorella Euglena Lepocinclis Lepocinclis Euglena Diploneis Ulotrix Phormidium Nodularía Amphora Stauroneis Gosmarium Hormidium Ulotrix Mastogloia Cymbella Fragilaria Microspora Trachelomonas Staurastrum Synechococcu

s

Closteridium Stichococcus Hyalotheca


CONCLUSIONES

Las eficiencias de remoción reportadas para Nitrógeno total yFósforo total de 30% y 27% respectivamente fueron muy bajas, si-tuación justificada si se tiene en cuenta los pequeños tiempos hi-dráulicos de retención que se manejaron en el sistema. Por estarazón, no se consideró su evaluación durante todo el período queesta duró. Los resultados de eficiencia de remoción fueron muchomás favorables en lo que tiene que ver con la materia orgánica ylos sólidos en suspensión. A pesar de que el efluente del reactorUASB entregó concentraciones relativamente bajas de estos paráme-tros, el humedal logró remociones promedio para DBO5 de 45%,para DQO de 52% y para SST de 77%.

Los niveles de oxígeno disuelto en el efluente del humedal ar-tificial se vieron incrementados en aproximadamente un 100% conrespecto a la concentración existente en el efluente. Este es incor-porado al agua gracias al proceso de respiración de las plantas, pormedio de su sistema radicular. Además, la presencia de oxígeno di-suelto es muy importante para que ocurra la mineralización de lamateria orgánica, efectuada por los microorganismos, ya que sudeficiencia disminuye la actividad bacteriana y reduce el grado demineralización al interior del sustrato; en condiciones anaerobias,la descomposición de la materia orgánica es mínima, existiendo unainmovilización del Nitrógeno disponible para la planta y pérdidaspor la reducción en la producción de nitratos (NO3-) por parte delos microorganismos.

Las transformaciones efectivas de los componentes del aguaresidual al interior del humedal dependen de un adecuado pretra-tamiento. Cuando un sistema de este tipo se sobrecarga con altas


concentraciones de DBO5, podría presentarse estrés en las plantasy disminuir la eficiencia de remoción de la misma.

La caracterización biológica se basó en un análisis cualitativo,no se cuantificó la eficiencia de remoción de los organismos identi-ficados. Las bacterias encontradas son en su mayoría de vida libre;los hongos son característicos del ambiente y de medios poluidosy las algas, igualmente son características de ambientes poluciona-dos. No se puede estimar con el ensayo efectuado, si existe o noremoción en algún grado de organismos patógenos.

Las algas, siendo organismos de vida libre, no pertenecen almaterial considerado como origen de la polución, no constituyenni están asociadas directamente a las causas de la polución, más,su presencia o ausencia constituye una legítima consecuencia de él.


REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AWWA, APHA. (1995). Standard Methods for the examination ofwater and wastewater. 19 edición.

AALEN, H., PIERCE, G. And WORMER, R. (1989). Considerations andTechniques for Vegetation Establishment in ConstructedWetlands. En Constructed Wetlands for Wastewater Treatment.Edit. Hammer. Pp 405-415.

BERDUGO, L., PACHECO, L. (1998). Postratamiento del efluente deun reactor UASB mediante la Utilización de un humedal deflujo subsuperficial (SFS). Tesis de Grado, Fundación Univer-sitaria de Boyacá.

BURGOON, P., REDDY, K. And DEBUSK, T. (1989). DomesticWastewater Teatment Using Emergent Plants Cultured inGravel and Plastic Substrates. En Constructed Wetlands forWastewater Treatment. Edit. Hammer. Pp. 536-541.

CRITES. (1994). Design Criteria and Practice for ConstructedWetlands. Wat. Sci. and Tech. Vol 24 No. 4.


DÍAZ, J., VALENCIA, C., LARA, C. (1996). Estudio de factibilidadpara el tratamiento de aguas residuales domésticas del mu-nicipio de Tunja por medio de un reactor anaerobio de flujoascendente y manto de lodos UASB operando en el rangopsicrofílico de temperatura. Proyecto UNIBOYACÁ/COL-CIENCIAS.

EPA. (1988). Constructed Wetlands and Acuatic Plant Systems forMunicipal Wastewater Treatment. Design Manual.

GIRALDO, E. (1995). Remoción biológica de nutrientes. En Semi-nario sobre Postratamiento de Aguas Residuales Domésticas.UNIBOYACÁ, Tunja.

KADLEC, R., KNIGTH, R. (1996). Treatment Wetlands. LewisPublishers.

METCALF, L. et al. (1995). Tratamiento y depuración de las aguasresiduales. Volumen 2, España.

NEEDHAM, J., NEEDHAM, P. (1978). Guía para el estudio de los se-res vivos de las aguas dulces. Editorial Reverté, España.

MURGEL, S. (1978). Hidrobiología aplicada a la ingeniería sani-taria. CETESB (Compañía Técnica de Saneamiento Ambien-tal). Sao Pablo, Brasil.

ODUM, E. (1992). Componente heterotrófico. Ecología. CompañíaEditorial Continental S.A. México.

ROLDÁN, G. (1992). Fundamentos de limnología neotropical. Mi-crobiología – Hidrobiología. Colección Ciencia y Tecnología.Universidad de Antioquia. Medellín.

SCHELLINKOUT et al. (1991). Full Scale Aplication of the UASBTechnology for Sewage Treatment. Wat. Sci. And Tech, Vol 25No. 7.

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