Estudio de la influencia de la relación C/N en la desnitrificación y metanogénesis de aguas residuales en un reactor anaeróbico de lecho fluidizado inverso

La nitrificacion-desnitrificacion es el proceso biologico tradicional para la remocion de nitrogeno de las aguas residuales (Ruiz G. et al., 2006a), siendo fundamental ya que contribuye a controlar la eutroficacion de los cuerpos receptores. Debido al deterioro que sobre la disponibilidad de los recursos han ejercido las actividades antropogenicas, es necesario orientar el tratamiento de las aguas residuales hacia tecnologias que ofrezcan el mayor grado de sustentabilidad, planteando innovaciones en el tratamiento. El presente proyecto de tesis doctoral versa sobre el estudio de la influencia de la relacion C/N en la desnitrificacion y metanogenesis de aguas residuales urbanas en un reactor anaerobico de lecho fluidizado inverso (RLFI). Previamente a la realizacion de las pruebas experimentales de variacion de la relacion C/N, se llevo a cabo la etapa de arranque del RLFI la cual se inicio en modo batch, favoreciendo la formacion y adhesion de biopelicula al medio de soporte utilizado (Extendosphere). Despues, sobrevino la operacion en modo continuo desde una carga volumetrica aplicada (CVA) de 0.5 g DQOs/L?d hasta alcanzar 4 g DQOs/L?d, carga volumetrica a la cual se logro la plena estabilizacion del reactor, siendo la alta variabilidad de la concentracion de DQOs en el agua residual urbana de alimentacion, la principal problematica que ocasiono retrasos en la estabilidad del reactor. A una CVA de 4 g DQOs/L?d en estado estacionario, el valor minimo de eficiencia de remocion de DQOs fue del 32.36% y el maximo de 66.99%. En estas condiciones el porcentaje de metano presente en el biogas producido tuvo un valor medio de 85.57 ± 2.93%, siendo un valor alto comparado con otros porcentajes de metano encontrados en la digestion anaerobia de aguas residuales urbanas. El YCH4 tuvo un valor medio de 0.316 ± 0.110 LCH4/g DQOrem?dia. Los porcentajes de metanizacion variaron en el rango de 20.50 a 100%, registrandose un valor medio de 73.42 ± 25.63%. La considerable variabilidad en el porcentaje de metanizacion se debio principalmente a que se presentaron eventos de lavado de soporte colonizado, lo cual propicio que las actividades metabolicas fueran orientadas hacia formacion de biopelicula (anabolismo) en vez de estar dirigidas hacia produccion de metano (catabolismo). En relacion a los ensayos con variacion de la relacion C/N, se manejaron relaciones DQOs/N-NO3 en el rango de 1.65 a 21.1 g DQOs/g N-NO3. La tasa de remocion anaerobia de DQOs se incremento con la concentracion de sustrato en una relacion casi lineal, ajustandose a una cinetica de primer orden, lo que regularmente se presenta a concentraciones bajas de sustrato. La eficiencia del proceso de desnitrificacion fue por lo regular alta, incrementandose ligeramente con la concentracion de DQOs en el influente, con valores en el rango de 73.8 a 99.1%. Por otra parte, la tasa de remocion por metanogenesis se incremento con la concentracion relativa de sustrato (es decir, a mayores relaciones DQOs/N-NO3), siendo mas sensitiva la metanogenesis a la concentracion relativa de sustrato que la desnitrificacion. Conforme aumento la relacion DQOs/N-NO3, la desnitrificacion, de ser la ruta metabolica principal de utilizacion de la materia organica (comparada con la metanizacion), empezo a combinarse con la metanizacion. De manera evidente, a las relaciones DQOs/N-NO3 probadas, se manifestaron mas las actividades desnitrificantes, quedando reflejadas por el alto porcentaje de utilizacion de la DQOs removida hacia la desnitrificacion. La relacion experimental DQOs/N-NO3 a la cual se pudiera haber cumplido con el requerimiento de materia organica (en terminos de DQOs) para la desnitrificacion de nitratos en las aguas residuales urbanas tratadas resulto aproximadamente ser igual a 7.1 g DQOs/g N-NO3. A una CVA de 4 g DQOs/L?d, se obtuvo un diametro promedio maximo de soporte colonizado igual a 266.106 ± 69.279 ?m aunque, hay que indicarlo, se presentaron fluctuaciones, las cuales se reflejaron tambien en el espesor de la biopelicula, el cual tuvo un valor maximo de 50.099 ?m y un valor promedio de 37.294 ± 11.199 ?m. Estas fluctuaciones pudieron deberse a la existencia de corrientes preferenciales dentro del reactor, las cuales no permitieron un acceso equitativo del sustrato a todo el lecho. Nitrification-denitrification is the traditional biological process for nitrogen removal from wastewaters (Ruiz G. et al., 2006a), being fundamental since it contributes to control the eutrophication of the receiving waters. Due to the deterioration that on the availability of the aquatic resources the anthropogenic activities have exerted, it is necessary to orient the treatment of wastewaters towards technologies that offer the greater degree of sustainability, raising innovations in the treatment. This work studied the influence of C/N ratio on denitrification and methanogenesis of urban wastewaters in an inverse fluidized bed reactor (IFBR). Previously to the accomplishment of the experimental tests with variation of C/N ratio, the start up of the IFBR was carried out in batch way, encouraging the formation and adhesion of biofilm to Extendosphere, which it was used as support. The operation in continuous way carried out from an organic loading rate (OLR) of 0.5 g CODs/L ? d to 4 g CODs/L ? d, when the steady-state was reached. The high variability of the CODs of the urban wastewaters caused delays in the stability of the reactor. Once stationary state was reached, the removal efficiency of CODs ranged from 32.36 to 66.99% to 4 g CODs/L ? d. In these conditions the percentage of methane in produced biogas had an average value of 85.57 ± 2.93%, being a high value compared with other studies treating anaerobically urban wastewaters. The YCH4 had an average value of 0.316 ± 0.110 LCH4/g CODrem ? d. The percentage of methanisation ranged from 20.50 to 100%, with an average value of 73.42 ± 25.63%. The considerable variability in the methanisation percentage occurred mainly due events of wash-out of colonized support, which caused that the metabolic activities were oriented towards formation of biofilm (anabolism) instead of methane production (catabolism). Concerning the tests with variation of C/N ratio, CODs/NO3-N ratios from 1.65 to 21.1 g CODs/g NO3-N were proved. The CODs anaerobic removal rate increased with the substrate concentration in an almost linear relation, adjusting to a kinetic of first order, which regularly appears to low concentrations of substrate. Efficiency of the denitrification process was regularly high, and it increased slightly with the CODs concentration in the influent, ranging from 73.8 to 99.1%. On the other hand, the CODs removal rate by methanogenesis increased with the substrate relative concentration (e.g., to greater CODs/NO3-N ratios), being more sensitive the methanogenesis to the substrate relative concentration that the denitrification. When the CODs/NO3-N ratio increased, the denitrification, of being the main metabolic route of use of the organic matter (compared with the methanogenesis), began to be combined with the methanogenesis. Definitively, to the proven CODs/NO3-N ratios the denitrification processes were more pronounced, being reflected by the high percentage of use of the removed CODs towards denitrification. The experimental CODs/NO3-N ratio to which it was possible to have been fulfilled the requirement of organic matter (in terms of CODs) for the denitrification of nitrates in urban wastewaters turned out to be approximately 7.1 g CODs/g NO3-N. It was obtained a maximum average diameter of colonized support of 266.106 ± 69.279 ?m to 4 g CODs/L ? d, although it is necessary to indicate that appeared fluctuations in the thickness of biofilm, which had a maximum value of 50.099 ?m and an average value of 37.294 ± 11.199 ?m. These fluctuations could be due to the existence of preferential currents within the reactor, which did not allow an equitable access of the substrate to all the bed.