INVESTIGACION

La sección de Difusión de Investigación en Ingeniería, como sunombre lo indica, pretende divulgar el trabajo de investigación ydesarrollo que se haga en esta Facultad y otras Facultades deIngeniería del país.

Esperamos que esta sección pueda servir para aumentar losmecanismos de comunicación de la comunidadcientífico-tecnológica en el país. Consecuentes con lo anteriorinvitamos a investigadores de otras universidades para que useneste espacio para divulgar resultados que sean de interés para unsector amplio de la ingeniería.

Eugenio Giraldo Gómez Tratamientos anaerobios de las aguasresiduales domésticas.Limitaciones y potencialidades

Introducción

Presentado en el Seminario-Tallersobre Alternativas Tecnológicaspara el Tratamiento de AguasResiduales. Quito- Ecuador,Mayo 3 - 7 de 1993

E l crecimiento acelerado delas ciudades

Latinoamericanas ha impedidoque se logre un cubrimiento deservicios públicos adecuado paratoda la población. Una de lasconsecuencias indeseables deesta situación es la descargaindiscriminada de las aguas

residualesdomésticas eindustriales a loscuerpos de aguamás cercanos consu consecuentedeterioro y conconsecuenciasdesastrosas sobre la

ecología y la salud pública. Lospaises desarrollados hancontrolado esta situación utilizandosistemas de depuración de lasaguas residuales previamente a sudescarga en la fuente receptora.Al igual que la tecnología de laevacuación de las aguas servidas,se han hecho numerosos esfuerzospara la aplicación de los sistemasde depuración utilizado en lospaises desarrollados a lascondiciones socioeconómicas,climáticas y culturales de nuestromedio. Uno de los resultadosobtenidos en estos esfuerzos es laincapacidad económica de las

municipalidades para pagar losaltos costos de inversión y deoperación de los sistemastradicionales para el tratamientode las aguas residuales. Adiferencia de otro tipo de serviciospúblicos, el tratamiento de lasaguas residuales necesita desoluciones tecnológicasapropiadas para el medioclimático y socioeconómico de lospaises en vías de desarrollo.

Una de las alternativastecnológicas para la depuraciónde las aguas residuales que hatenido un gran desarrollo en lasúltimas décadas ha sido la de lostratamientos biológicos enambientes anaerobios. El objetivode esta contribución es presentar,a juicio del autor, las limitaciones ypotencialidades de este tipo detecnología con especial énfasis enel caso de las aguas residualesdomésticas.

Eugenio Giraldo Gómez

Ph.D., University of Massachusetts,Profesor de Ingeniería Civil.Area de EspecializaciónIngeniería Ambiental.

1REVISTA DE INGENIERÍA UNIANDES

Recirculaciónde gas

Recirculaciónde liquido

+

Sedimentador

E

DigestorG

Recirculaciónde liquido

E

Superficiestubularesde soportede biomasa

REACTOR ANAEROBIO ESTACIONARIODE PELICULA FIJA

Historia

Como ya se presentóanteriormente en este seminario(Orozco y Giraldo, 1986), la primeraaplicación de la digestiónanaerobia al problema deltratamiento de las aguas residualesocurrió hace más de un siglo conel "depurador automático deMouras" o Tanque séptico comose conoce hoy en día.Posteriormente ha habidonumerosos desarrollos tecnológicosque han extendido lasposibilidades de aplicación deltratamiento anaerobio a niveles degran eficiencia. Estos desarrolloshan sido presentados ya en esteseminario, ver (Orozco y Giraldo,1986).

En la década de los setenta y losochenta existió un granresurgimiento de la tecnologíaanaerobia con el desarrollo de losdenominados digestoresanaerobios de alta tasa, v.gr.reactor U,A.S.B. (uplflow anaerobicsludge blanket ó reactoranaerobio de flujo ascendente enmano de lodos), Filtro anaerobio,Reactor de lecho expandido -fluidizado, Reactor de flujo apistón-RAP etc. El gran desarrolloque tuvo la tecnología anaerobiase debió a la aplicaciónsistemática de los siguientesconceptos:

• Desacople de los tiempos deretención hidráulica (TRH) y lostiempos de retención de losmicroorganismos (TRM) dentro delreactor. Esto implica mantener losmicroorganismos dentro delreactor por un tiempo muchomayor que el agua, para lo cual esnecesario proveer al reactor de unmedio de retención de bacteriasque permita su acumulacióndentro del reactorindependientemente del pasodel agua.

• Mejora del contacto entre labiomasa activa y el agua residual,minimizando las zonas muertasdentro del reactor y optimizando latransferencia de sustratos yproductos entre las diferentes

CLARIGESTOR ANAEROBIO

Gas

E

FILTRO ANAEROBIO

Gas

TORRE DE DIGESTION DE FLUJO ASCENDENTE

E►

Partículas• de soporte

de biomasa

REACTOR ANAEROBIO DE LECHOEXPANDIDO CON PELICULA FIJAO DE LECHO FLUIDIZADO

fases, biomasa-liquido-gas, en elreactor.

• Mejoramiento de la actividadmetanogénica de la biomasa alproveer las condiciones óptimaspara su ocurrencia. Esto implicatanto control de las condiciones enla fase liquida del reactor (v.gr. pH,concentración de ácidos grasos,nutrientes, toxicidad etc.), comode los efectos sinergísticosgenerados en los agregadosmetanogénicos por la

PROCESO DE CONTRATO

Gas

E

=IodS

Floculento=-

=lodo7granular

UASB

E ^ --^ E

RALF

organización espacial de lasdiferentes poblacionesmicrobiológicas en el flocbacteriano (v.gr. incrementos en laactividad metanogénicaespecífica de la biomasa debidosa la organización en el floc).

Todos los reactores de la "nuevageneración" hacen uso, de unamanera o de otra, de estosconceptos fundamentales. En elcaso específico de la aplicaciónde la digestión anaerobia al

Figura 1 REACTORES DE ALTA TASA

2 REVISTA DE INGENIERIA UNIANDES

tratamiento de las aguas residualesdomésticas las primerasexperiencias con reactores de altatasa se remontan a la década del50 con el uso de los denominados"lodos activados anaerobios" o"proceso anaerobio decontacto".Posteriormente hacia finales de losaños 60 y principios de los 70 seutilizó y desarrolló el filtroAnaerobio. Durante la década del70 se desarrollaron los procesosUASB y los de Película-Adherida-Manto-Expandido (Reactor AAFEB,Anaerobic Attached FilmExpanded Bed) (Switzenbaum,1978). Durante 1980 sedesarrollaron variacionessobre el tema de losreactores UASB, reactoresRAFA (Reactores Anaerobiosde Flujo Ascendente), en elBrasil (Savelli-Gomes, 1986) yen Colombia en laUniversidad de los Andes sedesarrolló el ReactorAnaerobio a Pistón (Orozco yGiraldo, 1986 y Orozco 1993).Este último consiste en unaserie de reactorescompletamente mezcladosen serie, abierto a laatmósfera y con medio parala separación de gases.

Más recientemente se hatratado de combinar losreactores anaerobios conreactores aerobios parahacer un pulimiento final de losefluentes logrando adicionalmenteremoción de nutrientes a través delproceso de nitrificación-desnitrificación (Fernández-Polanco,1991).

Particularidades delTratamiento Anaerobio

El tratamiento anaerobio de lasaguas residuales presenta ciertasparticularidades cuando secompara con los tratamientosaerobios que vale la pena analizaren detalle pues estas son las raicesde las ventajas y las desventajasinherentes del proceso. Acontinuación se presenta unadiscusión de estos aspectos

particulares y sus efectos sobre losrendimientos del proceso.Los siguientes son los aspectos aanalizar:

• Bajo coeficiente de produccióncelular y lento crecimiento de losorganismos anaerobios.

• Alto coeficiente desaturación, Ks.

• Multitud de grupos bacterianospara realizar la conversión de lamateria orgánica.

• Competencia entre las bacteriasmetanogénicas y las reductorasde sulfato.

• Efectos de la temperatura en elcrecimiento de las bacterias.

Bajo coeficiente de produccióncelular y lento crecimiento.Comparativamente con lasbacterias aerobias, las bacteriasanaerobias crecen mucho máslentamente debido a unacombinación de factores como loes el que por cada unidad demateria orgánica degradada lacantidad de bacterias generadases comparativamente menorconsecuentemente la velocidadde crecimiento del cultivo esmenor(Pavlostathis y Giraldo, 1991).Esta baja velocidad decrecimiento bacterial se traduceen una baja velocidad deconsumo de sustrato, por el cultivocomparativamente con sucontraparte aerobia.

Matemáticamente la velocidadespecífica de consumo de sustratoU (mg DQO/mg SSV/d), se describede la siguiente manera:

U= Umax S/(Ks + S) (1)

donde

Umax = Tasa específica máxima deutilización de sustrato (mgDQO/mgSSV/d)

S = Concentración de sustratosentida por el microorganismo(mgDQO/I)

Ks = Constante de saturación(mgDQO/I)la velocidad de crecimiento de los

microorganismos usualmente serelaciona con la velocidad deconsumo de sustrato:

u = Y U -Kd (2)

donde

u = velocidad de crecimiento demicroorganismos (mg SSVgenerados/mg SSV/d)

Y = coeficiente de producción(mg SSV generados/ mg DOOconsumidos)

Kd = coeficiente endógeno (mgSSV autoconsumido / mg SSVexistente/d)

Cuando existe un crecimiento nuloel término de generación de

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1

i

(Acido Acetico Hidrógeno + CO2)

Bacteria Sulfidogénicá

s0^META NO G ENESI S

Productos Intermedios V.gr.Propionato, Butirato, Etanol

ACETOGENESIS

MetanogénicaHidrogenotrófica

CH4 + CO2

FLUJO DE CARBONO DURANTE LA DEGRADACION ANAEROBIADE LA MATERIA ORGANICA

(

POLIMEROS ORGANICOSCarbohidratos, Proteinas y Grasas

HIDROLISIS

(

MOMOMEROS ORGANICOSAzucares, Aminoácidos, Alcoholes

Bacteria Acidogénica

J

J

FERMENTACION

4 REVISTA DE INGENIERIA UNIANDES

microorganismos en la ecuación 2,YU, es igual al término de consumoKd. Es decir en ese punto lareproducción de las bacterias esexactamente igual al decaimientopor autoconsumo y el cultivo engeneral no crece. Dado que Uestá definido por la Ecuación 1,entonces se puede encontrar unaconcentración de sustrato mínimapara la cual la reproducción' es talque balancea el autoconsumo.Por lo tanto sustituyendo laEcuación 1 en la Ecuación 2 yresolviendo para S se encuentra:

Smin = Kd Ks / (YUmax - Kd) (3)

Esta concentración Smin es por lotanto la mínima concentración desustrato que se puede lograr paraque el cultivo de bacterias nodesaparezca por autoconsumo, yes por lo tanto una limitaciónbiológica. Nótese que el Smin esdirectamente proporcional al Ks, esdecir, a la constante de saturaciónde la ecuación 1.En los sistemas anaerobios losvalores de las constantes Ks sonmucho mayores que en lossistemas aerobios lo cual implicaque las concentraciones mínimasefluentes en un reactor anaerobiovan a ser mayores que en lossistemas aerobios. Vale la penamencionar que el concepto deSmin fue desarrollado por McCa rtyy Rittmann en 1980 (Rittmann yMcCarty, 1980).

Multitud de especies. En contrastecon la degradación aerobia de loscompuestos orgánicos, en la cualun solo microorganismo puedellevar la conversión del compuestoa dióxido de carbono y agua, enla degradación anaerobia esnecesario el concurso coordinadode diferentes grupos demicroorganismos para lametanización del compuesto(Véase la Figura 2). Por ejemplo,para un compuesto simple comolo es el propionato se necesita delconcurso de por lo menos tresgrupos diferentes de bacterias.Uno que transforme el propionatoen acetato e hidrógeno, otro queconvierta el acetato en metano ydióxido de carbono, y por último

otro que reduzca el dióxido decarbono a metano con lautilización de hidrógeno molecular.Si además de propionato existenotros compuestos como butirato,etanol, lactato etc, será necesario

tener un grupo bacteriano más porcada compuesto adicional. Lasimplicaciones de esta situaciónpara el rendimiento máximo dedepuración en un reactoranaerobio son múltiples. Cada unode los grupos tendrá un Smin parapoder subsistir en el reactor. Por lotanto el DQO en el efluente delreactor estará dado por lasumatoria del Smin del propionato,más el Smin del acetato, más elSmin del butirato y del etanol y eldel lactato y el de cada uno de loscompuestos intermedios e inicialesen la metanización de la materiaorgánica. Comparando estasituación con el caso aerobio en elcual sólamente es necesario unabacteria y cuyos Ks son muchomenores, se hace evidente que losrendimientos máximos dedepuración alcanzables en los

reactores anaerobios han de sernecesariamente menores.

Otra de las limitaciones particularesde los procesos anaerobios,resultado de la multiplicidad de

grupos en trabajocoordinado necesariospara la metanizaciónde la materia orgánica,es la suceptibilidad delsistema, en términos derendimiento, a lasvariaciones en la cargaorgánica aplicada alreactor. En el caso demateria soluble, laetapa limitante en laconversión a metanoes precisamente lametanogénesis. Estoimplica que de existirun aumento en laconcentración deentrada al reactor delmaterial soluble, este seva a fermentar a losácidos intermedios ycomo las bacteriasmetanogénicas nopodrán consumirlo a lamisma velocidad a laque fue producido,habrá unaacumulación deproductos intermedios.Dado que los reactoresusualmente funcionan

como completamente mezclados,parte de estos ácidos acumuladosserán arrastrados con el efluente,generando un aumento en la DBOde salida del reactor y undecaimiento en el rendimiento dedepuración del sistema. En el casodel material particulado, lasituación es diferente debido aque la etapa limitante es lahidrólisis. Sinembargo, la remocióndel material particulado estátotalmente ligada a lascondiciones hidrodinámicas en elreactor. Estas condiciones se venafectadas con las variaciones en elcaudal aplicado al sistema.

Competencia entre las bacteriasmetanogénicas y las reductoras desulfato. Las bacteriasmetanogénicas y las bacteriasreductoras de sulfato, o

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sulfidogénicas, comparten unmismo nicho ecológico, es decir,los dos tipos de bacterias compitenpor los mismos tipos de sustratos,acetato e hidrógeno (Véase laFigura 2). Adicionalmente, se hademostrado que las bacteriassulfatorreductoras estánfisiológicamentemejorequipadas paraganar lacompetenciapor estossustratos que fasmetanogénicas.Esta situación esinfortunadadebido a que elsubproducto dela reducción delsulfato es elácido sulfidrico,H2S, que es ungas mucho mássoluble que elmetano, que enmedio acuosotienereaccionesácido-base,que es tóxicopara lasbacteriasmetanogénicas,para las mismassulfatoreductoras,para las formassuperiores devida v.gr.peces, para elhombre, para las plantas y queadicionalmente es corrosivo,maloliente y posee una demandabioquímica de oxígeno. Todasestas características hacen del H2Sun verdadero Talón de Aquiles delos procesos anaerobios si susefectos no son evaluados desde elprincipio en el proyecto detratamiento y no se tomanmedidas preventivas y de control.

Desde el punto de vista de lacompetencia entre las bacteriasmetanogénicas y las reductoras desulfato o sulfidogénicas, elproblema radica en que lasbacterias sulfidogénicas desplazanfísicamente a las bacteriasmetanogénicas en los agregados

bacterianos y pueden llegar encasos extremos a limitar seriamentela actividad metanogénica de loslodos. Desde el punto de vista delrendimiento del reactor, lasulfidogénesis implica que lacantidad de metano que sepuede producir se reduce

proporcionalmente a la cantidadde sulfuros producidos.Adicionalmente los sulfurosproducidos en el reactoranaerobio pueden salir disueltos enel efluente del reactor y ejercenuna Demanda Bioquímica deOxigeno pues serían rápidamenteoxidados de vuelta a sulfatos dedisponerse en una corriente deagua aerobia.

Desde el punto de vista deoperación del reactor los sulfurosson los mayores responsables de lageneración de olores por parte delos sistemas anaerobios, que comose verá más adelante en el estudiode casos en este seminario, puedegenerar serios rechazos por parte

de la comunidad adyacente a laplanta de tratamiento.Igualmente, el H2S es un gascorrosivo que ataca los equiposelectro-mecánicos y deteriorarápidamente los materiales deconstrucción de la planta. Por lotanto se debe tener mucho

cuidado en laselección demateriales,especialmenteaquellos que estén encontacto con lainterfase agua-aire.

Desde el punto devista del tratamientode las aguas residualesdomésticas, dada larelativamente bajaconcentración demateria orgánica enellas, el problema delo sulfatos-sulfurospuede tornarse crítico.Las aguas residualesdomésticas deciudades costerasusualmente tienenaltas concentracionesde sulfatos debido alas infiltraciones deaguas marinas en elsistema dealcantarillado. Existenigualmente aguasresiduales industrialesque pueden aportaraltas concentracionesde sulfatos a las aguas

residuales domésticas como son lasindustrias de fermentación a basede melaza de caña y las industriaspapeleras.

Existen varias alternativas para elcontrol del H2S en los reactoresanaerobios; pero éstas están fueradel alcance de esta contribución.

Efectos de la Temperatura

Los tratamientos anaerobios comocualquier tratamiento biológico delas aguas residuales, se veafectado por los cambios detemperatura, sin embargo losresultados obtenidos en eltratamiento de las aguas residualesdomésticas ponen en evidencia

6 REVISTA DE INGENIERÍA UNIANDES

que existe un rango detemperatura en el agua residualentre 20 -15°C en el cual latemperatura no afectaconsiderablemente el rendimientode la depuración de los sistemas.Una vez la temperatura se reducepor debajo de los 152C, entoncesel rendimiento se ve seriamenteafectado. Esta ha sido la razónprincipal por la cual lostratamientos anaerobios de lasaguas residuales domésticas nohan tenido una buena aceptaciónen paises con estaciones como loson los Estados Unidos v los paises

Europeos. La explicación másfrecuente dada para dichocomportamiento es el crecimientonulo de las bacterias responsablesde la degradación de las grasas yaceites por debajo de los 15°C. Eneste caso ocurriría un lavado deesta población y una ausencia enla remoción de estos compuestos.

Resultados TípicosObtenidos con

Diferentes Tipos deReactores

En esta sección se presentarán losresultados típicos obtenidos con losdiferentes tipos de reactoresanaerobios que han sido utilizadospara el tratamiento de las aguasresiduales domésticas. Seanalizarán los resultados deremoción de DBO, sólidossuspendidos, patógenos ynutrientes.

Los reactores que han dominado elpanorama del tratamientoanaerobio de las aguas residualesdomésticas han sido básicamentelos reactores UASB o variaciones,

Cuadro 1.

Comparación de Resultados Típicos de Operación de Varios Sistemas parael Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas

PARAMETRO UASB FILTRO AAFEB RAP LAGUNAFACULTATIVA

Volumen (m3) 3300 57 0.01 468

Temp.Agua (C) 24 22 20 14

THR (horas) 6 7.2 2 9 10 díasDBO inf(mg/I) 147 180 --- 140 80-90%

DQO inf(mg/I) 390 500 225 ---

DBO efl(mg/I) 38 54 10 31

DQO efl(mg/I) 170 145 45 •--

SS efl(mg/l) 78 100 10 --- 50-75Colif.efl(/ 100m1) 107C) - --- --- --- 100NKT (mg/1) 26 (*) --- --- --- 50-90%Remoción P (%) 40(') --- --- --- 30%Producción de lodos(Ks SS/Kg DQOinf) 0.2 --- --- 0.05 m3/cap/año(Kg SS/m3 tratado) 0.15

REFERENCIA (1) (2) (3) (4) (5)

(1) C.J Collazos y J.M. Cala (1992) "PTAR Riofrío: UASB + Laguna Facultativa Exitosa Aplicación en Colombia"(2) Genung, R.K. et al. (1986) "Pilot Scale Development of Anaerobic Filter Technology for Municipal

Wasterwater Treatment", Proceedings of the Seminar - Workshop Anaerobic Treatment of Sewage.M.Switzenbaum (Ed.).

(3) Jewell, W.J. (1986) "The Development of Anaerobic Wastewater Treatment" "Proceedings of theSeminar - Workshop Anaerobic Treatment of Sewage.M. Switzenbaum (Ed.).

(4) Orozco, A. (1993) "Tratamiento Anaerobio de las Aguas Residuales Domésticas con el Reactor Anaerobioa Pistón RAP: Experiencias y Resultados" presentado en "Tratamiento Anaerobio de ResiduosOrgánicos" Abril de 1993. Universidad de los Andes, Santafé de Bogotá, Colombia.

(5) Metcalf& Eddy (1991) Wastewater Engineering. McGraw-Hill.C) Resultados de la Planta Piloto de Cali.

REVISTA DE INGENIERÍA UNIANDES 7

Filtros Anaerobios, Reactores deLecho Expandido (AAFEB) yReactores en serie como el RAP(Reactor Anaerobio a Pistón). Sinlugar a dudas los reactores de losque se posee mayor informaciónson los reactores de flujoascendente UASB o susvariaciones. No se pretende serexhaustivo con la información quese va a presentar aquí, el propósitode esta sección es presentar losresultados típicos con el fin decomparar los diversos sistemas. Losresultados de dicha comparaciónse pueden ver en el cuadro 1.Todos los reactores presentados eneste cuadro, a excepción delAAFEB, están tratando aguasresiduales domésticas que han sidoúnicamente pasadas a través deprocesos de desbaste, es decir, seha removido lasarenas y se hapasado a través derejillas para laremoción dematerial grueso v.gr.palos, toallassanitarias, ratones,pelos etc... El reactorAAFEB trata aguasque han sidopreviamentesedimentadas.

Como se puede veren el Cuadro 1, lostiempos deretención hidráulica,TRH, en los reactoresanaerobios, son delmismo orden demagnitud que losque se encuentranen reactoresaerobios como loszanjones deoxidación o lodosactivados. Estoimplica que losreactoresanaerobios tendrántanques deaproximadamenteel mismo tamañoque los de sucontraparteaerobia. Por otrolado, vale la penamencionar, que las

eficiencias de remoción demateria orgánica, DBO, y sólidosen suspensión es menor que paralos reactores aerobios con TRHsimilares. Incrementos adicionalesen el TRH en los reactoresanaerobios no redundan enincrementos en la eficiencia deremoción, La curva Eficiencia,vs,THR es plana durante un granrango de TRHs.

Como se puede apreciar en elCuadro 1, existen resultados aescala relativamente técnica entodos los tipos de reactores conexcepción del reactor de lechoexpandido, AAFEB, del cualsólamente se tiene información delaboratorio que sea deconocimiento del autor de esteartículo. Esto es una lástima porque

si se hace un ánalisis de losresultados de rendimiento de losdiferentes reactores se puedeobservar claramente que desde elpunto de vista de remoción demateria orgánica, DBO y sólidossuspendidos, SS, este reactor es elque mejor resultados logra. Vale lapena recalcar que este reactortrata aguas residuales domésticasque han sido previamentesedimentadas. Si se compara losresultados de remoción de materiaorgánica con los resultados de latecnología de lagunas, se ve quetodavía no se puede llegar a losmismos rendimientos, como era deesperarse, a excepción de losresultados obtenidos por el reactorAAFEB. Sinembargo, hay que teneren cuenta que las lagunasdescargan una parte significativa

de sólidossuspendidos enforma de algas.

Al comparar losresultados de lossólidos suspendidosen el efluente delos diferentesreactores, sepuede ver que susconcentracionesson todavía muyaltas comparadascon los niveles quese pueden lograrcon otrastecnologías másconvencionalesaerobias como loslodos activadosque producenefluentes conconcentracionesde alrededor de10mg/I. Esteresultado ademásde afectar en símismo la eficienciade remoción demateria orgánica,ya que parte de lamateria orgánicaestá en forma desólidossuspendidos,afecta igualmenteel rendimiento delreactor al disminuir

8 REVISTA DE INGENIERÍA UNIANDES

excesivamente la edad de lodosen el sistema.

El problema de alta concentraciónde sólidos suspendidos en elefluente es crítico para el arranquede reactores anaerobios quetratan aguas residuales domésticasdebido a que la baja tasa de

generación interna de bacterias,SSV, inherente al metabolismoanaerobio, es fácilmentebalanceado con las baterias quesalen del reactor en el efluente ypor lo tanto impide que el margenneto de acumulación demicroorganismos sea alto en elreactor. Si a ésto se le suma elhecho de que es necesario teneruna gran concentración debacterias dentro del reactor paralograr los bajos tiempos deretención hidráulica deseados,entonces el período de arranquede un reactor anaerobio puede serdel orden de años. Veamos unejemplo:

Un balance de masas para losmicroorganismos del reactornos da:

V dX/dt = (YSoE - Xe)Q (4)

donde:

dX/dt = Tasa de acumulación debacterias en el reactor (mg SSV/I/d)

E = eficiencia de remoción de

DQO(%)

So = Concentración de DQO en elefluente (mg DQO /I)

Q = Caudal (I/s)

V = Volumen del reactor (I)

Xe = concentración de

microorganismos en el efluente(mgSSV/I)

El primer término al lado derechode la igualdad representa lageneración interna demicroorganismos por elcrecimiento asociado al consumode materia orgánica. El segundotérmino representa el "lavado" demicroorganismos del reactor. Laecuación se puede representarcomo:

dX/dt = (YSoE - Xe) / TRH (5)

De esta ecuación se puedeobtener la concentración límite debacterias para la cual dX/dt esnula, y por lo tanto cuando ocurrauna concentración en el efluentemayor que ésta se generará ellavado de los contenidos delreactor.

Xe lim = YSoE (6)

Si usamos como parámetrosrepresentativos Y = 0.2 mg SSVgenerados/mg DQO removidoE=0.7, So=500mg/I, TRH =0.3 días, se

encuentra lo siguiente:

Xe lim = 70 mg/I

Concentraciones de sólidossuspendidos en el efluentemayores a 70 mg/I generarían unlavado en el reactor, o que elreactor nunca arrancase. Hay quetener en cuenta, sinembargo, las

hipótesis bajo lascuales se desarrollódicha ecuación. Lamás importanteCalvez es que lossólidos suspendidosvolátiles en elefluente son unabuena medida de laconcentración demicroorganismos queen realidad estánlavándose. Esto no esverdad en la mayoríade los casos.Sinembargo, en lapráctica se hacorroborado queconcentracionesmayores a 80 mg/I síafectansignificativamente el

rendimiento del reactor (Vieira,1991).

Por otro lado, si tenemosconcentraciones efluentes dealrededor de 60mg SSV/I, de laecuación 5podemos encontrar que:

dX/dt = 30 mg/l/d

Es decir que la tasa deacumulación de bacterias dentrodel reactor es de alrededor de 30mg de SSV por litro de reactor ypor día. Vale la pena anotar queen este caso se está utilizando unaeficiencia de 0.7 en la remociónde DQO y un TRH de 8 horas, queson típicos de reactores yaarrancados. Esto, sinembargo, nosdá una aproximación optimista alproblema. Un reactor anaerobiousualmente trabaja conconcentraciones internas de SSVde 30,000 mg/I. Para llegar a éstaconcentración arrancando decero y con la tasa de acumulacióncalculada anteriormente senecesitan alrededor de 2.5 años.En la práctica, debido a mejoras

9REVISTA DE INGENIERIA UNIANDES

en las técnicas de arranque sonnecesarios periodos de un año yalgo más dependiendo de latemperatura. Sinembargo, vale lapena recalcar la importancia deuna buena sedimentación para elbuen funcionamiento de unreactor anaerobio. Como ya semencionó los reactores aerobiosfuncionan con niveles de sólidossuspendidos en el efluente muchomás bajos, del orden de 10 mg/I.Este es un punto sobre el cual senecesitan más desarrollos.

Igualmente no está demásrecalcar que estos cálculos estánbasados en reactores anaerobiosque no tienen sedimentaciónprimaria. La sedimentaciónprimaria de las aguas reduciría laconcentración influente al reactor,So, en un 40 -50%. De acuerdo a la

ecuación 6 la concentración deXe lim se reduciráconsecuentemente.De la misma manera, la existenciade efectos tóxicos generados poralgunas substancias en las aguasresiduales tendría el mismo efecto.Un análisis detallado del fenómenode la toxicidad está más allá delalcance de este artículo.

El Cuadro 1 también presentainformación sobre la remoción denutrientes por parte de los sistemasanaerobios. La remoción denitrógeno en un sistema anaerobioes prácticamente nula debido alpoco crecimiento bacterial y aque el amoníaco es conservativoen ambientes sin oxígeno y a pHmenores que 8. El fósforo por otraparte tiene remociones similares alas de los sistemas aerobios e

inclusive a las de las lagunas.Se puede concluir, por lo tanto,que en el caso en que existanfenómenos de eutroficación enlas aguas receptoras, debepreverse un post-tratamientode efluente de un digestoranaerobio. Las tendenciasactuales para el post-tratamientode efluentes anaerobios apuntanhacia la nitrificación -desnitrificación acoplada a losreactores anaerobios, utilizando lossulfuros y las trazas de ácidosvolátiles como fuentes demateria reducida para ladesnitrificación. Los sistemasresultantes de acople de losreactores anaerobios con losaerobios, son supremamenteeficientes porque además de pulirel efluente anaerobio de H2S,ácidos y sólidos suspendidos, se

Cuadro 2

Comparación de Costos de Plantas de Tratamiento en Colombia (1992)

Alternativa Costos (US$/I/s) Referencia

Aerobio

Lodos Activados 45,000 Medellín, El Retiro,

(221/s, 20C) Empresas Públicas de Med.

Anaerobio

Bucaramanga - UASB 7000 (1) Río Frío. CDMB

370 lis, 24C

Cali - UASB 16700 (2) El Vivero, EMCALI

45I/s, 24C

Bogotá-RAP 9000 Tenjo - CAR

131/s, 14C Universidad de Los Andes

(1) Incluye las lagunas para el tratamiento secundarioLos costos de O&M son de 0.7 USS/capita/año

(2) Incluye las obras de control de olores.Nota: USS = 750 pesos (Mayo 1993)

1

O REVISTA DE INGENIERIA UNIANDES

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logra también remoción denutrientes.

Otro de los aspectos a considerardesde el punto de vista de la saludpública, es la remoción depatógenos en un reactoranaerobio. Vale la pena recordarque una gran cantidad de losgérmenes patógenos sonanaerobios ellos mismos. Como sepuede ver en el Cuadro 1, unreactor UASB únicamente lograuna reducción de una (1) unidadlogarítmica en términos decoliformes, mientras que con latecnología de lagunas se logranremociones de 6 o más unidadeslogarítmicas. El post-tratamiento deefluentes anaerobios pordesinfección, se ha estudiado muypoco, los pocos estudios existentesse han hecho utilizando el ozonocomo agente oxidante, Este esotro punto que merece mayoratención. El acople de reactoresanaerobios con la tecnología delagunas puede ser una buenaopción para el problema de laremoción de patógenos y post-tratamiento en general siempre ycuando exista el área disponible.

Costos

Una comparación de costos conresultados obtenidos en Colombiase presenta en el Cuadro 2. Comose puede ver claramente, lasventajas económicas de lossistemas anaerobios son evidentes.En el caso de Bucaramanga, loscostos involucran el post-tratamiento con lagunas queprovee un efluente de la mismacalidad, si no mejor, que el de untratamiento aerobio, luego loscostos son directamentecomparables.

Centralización vsDescentralización

Una de las ventajasfrecuentemente aducidas en favorde los sistemas anaerobios es sufactibilidad para ser usados enforma descentralizada en un planglobal de recolección y

tratamiento de aguas residuales.En el esquema tradicional, usandotecnología aerobia, usualmente laalternativa seleccionada esaquella en la cual las aguasresiduales son recogidas y llevadastodas a una mega-planta centralde tratamiento para su depuracióny descarga final. Este esquemarequiere la construcción degrandes tramos de colectores einterceptores, y con frecuenciabombeo, cuyocosto eselevado. Laracionalidadde estaaproximaciónradica en quelos tratamientosaerobiosconvencionalestienen altaseconomías deescala y sucomplejidad estal que almomento deevaluar laalternativacentral, contraun alternativadescentralizada,esta primerasalefavorecida.

En laalternativadescentralizada,el conceptoprincipal estratar el aguaresidual envariasestaciones depuradoras a la cualllega el agua residual de una"cuenca" de recolección. Laventaja de este sistema es que sehacen ahorros en inversiones decapital y en costos de operación,en forma de interceptores ybombeo, al no tener que reunirtodas las aguas en un solo punto.Adicionalmente desde el punto devista del cuerpo de agua receptores usualmente más benéfico tenerlas descargas distribuidas en variossitios y no una sola, La tecnologíaanaerobia parece especialmenteadaptable a este esquema por su

relativa simplicidad, sus bajosrequerimientos de área y su pocasensibilidad a economías deescala.

En Cali, Colombia, la planta de "ElVivero" pretendía probar lafactibilidad de dicho esquema.Desafortunadamente debido a lagran densidad poblacionalalrededor de un sitio seleccionadopara la construcción de la planta,

la comunidad se opuso a suoperación por diversos motivoscomo la desvalorización de suspropiedades y los potencialesolores generados por el proceso,En la actualidad se piensa quepara la realidad de las ciudadescolombianas, donde no existeactualmente espacio disponiblepara la construcción de plantas detratamiento lo suficientementealejadas de la comunidad paraevitar su rechazo, no es viablepensar en una totaldescentralización de las plantas detratamiento. Cada caso debe ser

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evaluado con mucho cuidadoteniendo siempre en cuenta lareacción de la comunidad.

Conclusiones

De acuerdo a lo expuestoanteriormente se puede concluir losiguiente:

• Los procesos anaerobios para eltratamiento de las aguas residualesdomésticas se puede decir quehan llegado a un estado demadurez tecnológico al existir eneste momento numerosos ejemplosexitosos de su aplicación entemperaturas de las aguasresiduales que van desde los 15°Chasta los 25°C.

• Los procesos anaerobios poseennumerosas limitaciones naturales,comparados con su contraparteaerobia, para lograr el mismo nivelde tratamiento de las aguasmedido éste en términos deDemanda Bioquímica de Oxígeno,Patógenos y Nitrógeno.Dependiendo de los requisitosexigidos para la descarga puedeser necesario hacer un post-tratamiento.

• Los procesos anaerobios para eltratamiento de las aguas residualesdomésticas tienen un período dearranque muy largo del orden deaños, debido al bajo crecimientode los microorganismosanaerobios, los altos niveles de

sólidos suspendidos en el efluentede estos reactores y la grancantidad de bacterias necesariasen el reactor para lograr lostiempos de retención hidráulica dediseño.

• Los procesos anaerobios puedenfuncionar con eficiencias del 70%de remoción de DQO y de 85% deDBO y con tiempos de retenciónhidráulica similares a los de sucontraparte aerobia.

• Los costos de los procesosanaerobios para el tratamiento deaguas residuales domésticas sonentre 3 y 6 veces menores que loscostos de alternativas aerobiastradicionales, aún cuando seanecesario incluir post-tratamiento yobtener efluentes de la mismacalidad.

• Los procesos anaerobios puedenser acoplados a los conceptos detratamientos descentralizados delas aguas residuales domésticas:sinembargo, esta opción es viabledependiendo de la disponibilidadde espacios adecuados alejadosde la comunidad para laconstrucción de las plantas detratamiento.

Referencias

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