Efecto de la temperatura sobre las constantes μH y bH del modelo ASM1 y padrón de fraccionamiento de la DQO de una PTAR industrial.

Abstract

En materia de tratamiento de aguas residuales, las tendencias actuales dirigen su atención a modelos mecanísticos para la simulación dinámica de las plantas, lo que permite una mayor exactitud en las predicciones y diseño y, vuelve obsoleta una buena parte de las simplificaciones e imprecisiones de los métodos anteriores. El presente estudio, el cual tiene lugar dentro de éste contexto, precisa su atención en el Modelo de Lodos Activados No. 1 (ASM1). Antes de poder utilizar el modelo ASM1 para simular una planta de tratamiento existente o en proyecto, se necesita realizar estudios para caracterizar las aguas residuales según un nuevo esquema diferente del tradicional y hallar las nuevas constantes cinéticas del mismo modelo. Existen ciertos estudios relacionados con el efecto de la temperatura sobre las constantes cinéticas del proceso de lodos activados, sin embargo, son muy escasos y la mayoría se han desarrollado en países de clima frío. La presente investigación se realizó en una PTAR que sirve a 138 empresas de un parque industrial de la Zona Conurbada de Toluca. Debido a la naturaleza de las aguas recibidas por la planta, el proceso ha mostrado en el pasado varias limitaciones y problemas de operación (DQO residual alta, aparición de bacterias filamentosas, etc.). Típicamente la PTAR registra una DQO promedio del orden de 3000 mg/L y un rango de temperatura de 28 a 32°C. El objetivo de la investigación fue obtener los factores de corrección de temperatura de los coeficientes cinéticos (Hmax y bH) del ASM1; así como el padrón de fraccionamiento de la DQO para la PTAR industrial en estudio. Por razones que se explicarán en lo posterior, no se pudo estimar Hmax, la información disponible fue solo concerniente al coeficiente kh (hidrólisis). Los métodos utilizados en la determinación de constantes cinéticas, parámetros y componentes fueron fisicoquímicos y respirométricos. En el caso de bH se aplicó el método sugerido por Ekama et al. (1986), para YH y SI el reportado por Henze et al. (2000), para SS el citado por Ubay Çokgör et al. (1998) y para el fraccionamiento de la DQO el mencionado por Roeleveld y Loosdrecht (2002, protocolo STOWA). El coeficiente de corrección de temperatura se evaluó con la ecuación de van´t Hoff-Arrhenius. La tasa máxima específica de la hidrólisis (kh) se determinó mediante simulación con el programa AQUASIM. Adicionalmente, se realizaron pruebas complementarias en “batch” para reproducir en el laboratorio el proceso de degradación de la materia orgánica como ocurre en la planta. Los análisis efectuados en el estudio respecto a pH, conductividad, DQO, DBO5, N-NH3, N total, P total y COT, dieron como resultados promedio 8.0, 5459 S/cm, 2503 mg/L, 568 mg/L, 48 mg/L, 87 mg/L, 10 mg/L y 1279 mg/L respectivamente. La relación DBO5/DQOtot,inf obtenida fue de 0.24, la relación DQOsol,45/DQOtot,inf de 0.86 y el balance de nutrientes DBO5/N/P de 100/15/2. Las propiedades particulares del agua residual, principalmente su alta conductividad y contenido de sustancias no identificadas que posiblemente perturbaron las lecturas de las sondas de O.D., son factores que ocasionaron dificultades en la ejecución de las pruebas de respirometría. Para resolver dichas dificultades, fue necesario modificar algunos de los procedimientos de las pruebas (lavado del licor mixto antes de su uso como siembra y dilución del agua residual con agua destilada). Se resaltan tres características particulares del agua en estudio: 1) la fracción fácilmente biodegradable (Ss) es casi inexistente; 2) la fracción lentamente biodegradable se presenta en forma soluble (SH), en lugar de particulada (X’S=0) y 3) la DQO total del agua residual proviene principalmente (86%) de su contraparte soluble. Por lo anterior, fue necesario adoptar un modelo de fraccionamiento de la DQO del influente, el cual es diferente del que se suele usar en el ASM1 y contempla la forma soluble de la fracción lentamente biodegradable (SH). El fraccionamiento de la DQO mostró el siguiente padrón: 0.6% de SS, 39.4% de SI, 37% de SH, 0% de X’S y 23% de XI. El método fisicoquímico de caracterización de la STOWA sobreestimó de 40 a 60 veces la fracción SS de respirometría, debido a que el método contempla una hipótesis no aplicable al agua de estudio, la cual se basa en considerar toda la fracción soluble biodegradable como SS, sin diferenciar la parte correspondiente a SH. YH resultó en promedio de 0.52 (C.V.=40.6%), bH a 20°C fue de 0.12 d-1, bH resultó de 1.107 (20 a 32°C). Con la técnica de análisis de sensibilidad de AQUASIM, se demostró que los datos no contenían información para estimar Hmax debido a la baja concentración de Ss en las aguas. La hidrólisis de SH resultó ser la etapa limitante y se demostró que sólo kh y posiblemente KX eran identificables en estas condiciones, los demás parámetros no. La tasa máxima específica de la hidrólisis, kh se estimó de 3.81 d-1 y su coeficiente de corrección de temperatura, kh de 1.098 (20-32°C). Las pruebas “batch” de degradación del agua residual industrial en el laboratorio indicaron que: 8 horas son suficientes para que la DQO soluble biodegradable se agote a 28 y 32°C, que la cinética de degradación es de orden dos y que en esta agua residual, siempre se tendrá un remanente de DQO del orden del 50% que es inerte. Bajo este esquema, se podría optimizar ($) la operación de la PTAR disminuyendo el tiempo de aireación en los reactores e incluyendo, posiblemente (tras estudiarlo), algún selector para abatir las incidencias de bacterias filamentosas. La planta requiere necesariamente de un proceso fisicoquímico adicional en el tren de tratamiento actual para poder reducir el remanente de DQO.