Treatment of complex industrial wastewaters containing ammonium and phenolic compounds using granular sludge in continuous airlift reactors

Resumo

Esta tesis doctoral versa sobre la eliminación simultánea de compuestos fenólicos con reactores de biomasa granular trabajando en continuo. El estudio está dividido en dos partes principales; el primer tema trata sobre la modelización de la nitritación, mientras que el otro está dedicado al trabajo experimental sobre la nitritación y eliminación simultánea de compuestos fenólicos. En el estudio de modelización, se desarrolló un modelo matemático de biopelícula para describir la nitritación en reactores de biomasa granular aerobia operando en continuo. El modelo incorpora una estrategia de control del ratio [DO]/[TAN], para mantener un valor deseado de la relación entre las concentraciones de oxígeno disuelto (DO) en el efluente del reactor y nitrógeno amoniacal total [TAN]. El modelo se validó con un gran número de datos experimentales previamente publicados en la bibliografía, así como con datos obtenidos de reactores granulares tratando agua de rechazo a escala laboratorio y piloto. El modelo se utilizó para estudiar el efecto de: a) las consignas de DO y TAN, b) la temperatura de operación, c) las características de la biopelícula (tamaño de partícula, densidad) y d) la concentración de amonio en el afluente, sobre la consecución de la nitritación completa. Los resultados indicaron que la nitritación completa se mantuvo estable y se potenció usando la estrategia de control de la proporción [DO]/[TAN] en la operación del reactor de biomasa granular aerobia. Además, el modelo predijo que gránulos aerobios mayores a 1.5 mm y concentraciones altas de amonio en el afluente potenciaba la obtención de nitritación completa estable, mientras que la densidad de biopelículas tenía poca influencia en este estudio. Además se demostró que era posible la nitritación total a bajas temperaturas con reactores de biomasa granular. Para el trabajo experimental, se utilizó un reactor tipo airlift. Para la puesta en marcha del reactor, se utilizó como inóculo biomasa de un reactor de biomasa granular aerobia que realizaba eliminación de nutrientes. Como alimento del reactor se utilizó un agua residual sintética con un alto contenido de amonio (950 ± 25 mg N L-1). El reactor se operó hasta la obtención de nitritación parcial. Una vez obtenida la nitritación parcial, el reactor se bioaumentó con un lodo activo que contenía biomasa degradadora de p-nitrofenol (PNP) para mejorar el crecimiento de microorganismos degradadores de fenol sobre los gránulos nitrificantes. Acto seguido, mientras el reactor trataba una carga elevada de amonio, se añadieron progresivamente al afluente o-cresol (hasta 100 mg L-1) o PNP (hasta 15 mg L-1), siendo éstos alimentados al reactor con el objetivo de estudiar la nitritación parcial simultánea a la eliminación de o-cresol o de PNP. En el estudio de la nitritación parcial simultánea a la eliminación de o-cresol, se mantuvo el proceso de nitritación parcial estable durante más de 100 días de operación. Además, se obtuvo una biodegradación completa de o-cresol durante todo el periodo experimental. También se realizaron choques de carga de o-cresol, durante los cuales el proceso de nitritación parcial se mantuvo estable y sin verse afectado por esos eventos. Las cargas volumétricas obtenidas de nitrógeno (NLRV) y de o-cresol (CLRV) fueron de 1.1 g N L-1 d-1 y 0.11 g o-cresol L-1 d-1, respectivamente. El análisis de hibridación in situ de fluorescencia (FISH) indicó que en los gránulos había presencia del género Acinetobacter, de bacterias amonio-oxidantes betaproteobacteriales y de Nitrobacter sp. Posteriormente, se continuó con la operación del reactor, y se llevó a cabo un experimento relacionado con el funcionamiento del reactor bajo tres escenarios de alternancia secuencial de contaminantes (SAP). En cada uno de los escenarios SAP se añadieron 15 mg L-1 de compuestos fenólicos secundarios (i.e. PNP, fenol y 2-clorofenol (2CP)) al afluente por un periodo de tiempo corto (entre 20 y 25 años). Los resultados ilustraron que se mantuvo la nitritación parcial y la biodegradación de o-cresol sin mostrar ningún signo de inhibición por la presencia de PNP o de fenol. Sin embargo, en presencia de 2CP en el afluente, se registró durante tres días un 90% de la nitritación parcial y un 25% de la degradación de o-cresol. Estos resultados sugieren que las bacterias amonio oxidantes (AOB) son mas sensibles a la inhibición por 2CP que las heterótrofas (degradadoras de o-cresol). En el estudio de la nitritación simultánea a la eliminación de PNP, se mantuvo la nitritación durante la mayor parte del periodo operacional, obteniéndose un efluente adecuado para la desnitrificación heterotrófica. Sin embargo, durante los primeros 175 días, la biodegradación de PNP fue inestable, observándose diversos episodios de acumulación de PNP. Esta acumulación se determinó que era debida a las condiciones limitantes de DO. El incremento de la concentración de DO en el reactor de 2 a 4 mg O2 L-1 permitió obtener eliminación completa y estable de PNP hasta el fin del periodo experimental. Las NLRV y la carga de PNP obtenidas fueron de 1.0 g N L-1 d-1 y 16 mg PNP L-1 d-1, respectivamente. Además, se evaluó el funcionamiento del reactor realizando dos estudios de hambruna, i) hambruna de PNP y ii) hambruna total (parada del reactor). Los resultados mostraron que 2 días después al fin del periodo de hambruna se obtuvo una recuperación total de la degradación de PNP, mientas que la recuperación total de la nitritación simultánea a la eliminación de PNP se consiguió solo 11 después de volver a poner en marcha el reactor. En conclusión, el uso de reactores de biomasa granular aerobia para realizar nitritación simultánea a la eliminación de compuestos fenólicos es factible. Ésta podría ser considerada la mejor técnica disponible para el tratamiento aguas residuales industriales complejas con contenido de amonio en alta carga y compuestos fenólicos. Se ha probado que la biomasa granular aerobia es resistente a sobrecargas puntuales, a presencia alterna de compuestos recalcitrantes y a periodos de hambruna; estas condiciones, debido a los cambios de planificación de la producción, pueden encontrarse frecuentemente en plantas de tratamiento de aguas residuales industriales. En un futuro próximo, proponemos que la nitritación simultánea a la eliminación de compuestos fenólicos podría combinarse tanto con la desnitrificación heterotrófica o con el proceso anammox para una eliminación sostenible del nitrógeno.