Articulo Quimica Ambiental

RESUMENSe realiz una evaluacin de los tres reactores de lecho fijo de flujo ascendente anaerobios para el tratamiento de las aguas residuales de procesamiento de caf en grano (PMC ) . Los soportes utilizados fueron: cenizas de alto horno, espuma de poliuretano y piedra triturada con porosidades de 53 , 95 y 48 % , respectivamente . Las pruebas de estos reactores 139,5 L consisti en el aumento de la DQO del afluente ( 978 ; ? 2401 y 4545 mg L 1 ) , mientras se mantiene el tiempo de retencin de 1,3 das . Para el mximo COD aplica , el reactor relleno de espuma presenta el traslado de 80 % (muestras no filtradas ) y 83 % (muestras filtradas ) . El mayor rendimiento del reactor lleno con espuma se atribuye a su porosidad, que promovi mayor coleccin de biomasa. De los resultados, se puede concluir que los reactores presentan un rendimiento satisfactorio, especialmente cuando se utiliza la espuma como un soporte . Por otra parte, la modificacin Stover - Kincannon y segundo orden para los modelos de degradacin del sustrato de mltiples componentes se utilizaron con xito para desarrollar un modelo de los datos experimentales.

INTRODUCCIONEl procesamiento de los granos de caf con agua, responsables de la mejora de la calidad del caf, genera grandes cantidades de aguas residuales (WCP), ricos en materia orgnica en suspensin y de ambos componentes orgnicos e inorgnicos en la solucin con potencial contaminante significativo. En regiones productoras de caf (por ejemplo, Brasil, Vietnam y Colombia), estos efluentes se han convertido en un gran problema ambiental, creando la necesidad de tecnologas de bajo costo para el tratamiento de la WCP.Reactores de lecho fijo anaerobios se han aplicado con xito para el tratamiento de diferentes tipos de agua residual debido a su capacidad para retener los microorganismos con un soporte. Otras ventajas de estos sistemas son de alta eficiencia y de rea y volumen demandas ms pequeas en comparacin con los reactores convencionales para lograr el mismo rendimiento del tratamiento Uno de los aspectos ms importantes de los proyectos con reactores de lecho fijo anaerbicas es la seleccin del material de soporte. Entre los materiales que se han utilizado para la adherencia de la biomasa, algunos de los que se citan son: (. Colin et al, 2007). (Torres et al, 2003) los brotes de bamb, cscaras de coco, cenizas de los hornos de la fbrica de hornos de acero, cermica porosa (Gourari y Achkari-Begdouri, 1997), espuma de poliuretano (Zaiat et al, 1996;.. Ribeiro et al, 2005), fibras de nylon (Chaiprasert et al, 2003.), de PVC (Ruiz et al, 1997;. Showand Tay , 1999) y otros.Utilizacin de soportes capaces de inmovilizar biomasa activa permite aumentar el tiempo de retencin celular, favoreciendo la poblacin metanognicas y aumentar la resistencia de los reactores para cargar choques (orgnicas e hidrulicas), los cambios en las caractersticas del substrato y la presencia de compuestos inhibidores (Chua et al., 1997 ). Por lo tanto, sistemas que son ms estables, controlable y con una eficiencia elevada degradacin se pueden obtener, incluso cuando se opera con la reduccin de los tiempos de retencin hidrulicos (TRH).Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue verificar el desempeo de los tres reactores anaerobios llenas de cenizas de altos hornos, espuma de poliuretano y pedregullo para el tratamiento de las aguas residuales de procesamiento de grano de caf.Material y mtodos

Los reactores de lecho fijo de flujo ascendente anaerbicas fueron construidos con tubos de PVC que miden 0,35 m de dimetro y 1,5 m de altura, con un volumen total de 139,5 L. A lo largo de la altura de los reactores, se instalaron puntos de muestreo para la recogida de WCP y material de apoyo para la cuantificacin y calificacin de la formacin de biopelculas.Matrices de escorias de alto horno (residuos de la industria del acero, con potencial de reutilizacin), espuma de poliuretano (material con alta porosidad y buen potencial de retencin de biomasa) y piedra triturada (bajo costo y fcil de obtener) fueron utilizados como material de apoyo para la inmovilizacin de la biomasa en tres reactores , R1, R2 y R3, respectivamente. Las principales caractersticas de los materiales utilizados se presentan en la Tabla 1.

Para inocular los reactores, se utiliz el lodo de un manto de lodos de flujo ascendente anaerobio (UASB) del reactor, con los slidos voltiles totales medios (TVS) y slidos suspendidos voltiles (SVS) las concentraciones de 41 346 y 36 860 mg L? 1, respectivamente. El material de soporte, junto con el lodo (preparado de acuerdo con Zaiat et al., 1994), se coloc en tambores de 200 L y girar constantemente durante un perodo de una semana para promover una mayor inmovilizacin de las biopartculas en el material de soporte. Posteriormente, se aadieron las cenizas de altos hornos, espuma de poliuretano y piedra triturada para sus reactores independientes.Los reactores se alimentan de forma simultnea con el PMC, siendo que en la fase I y II, el PMC se diluy con agua del grifo para aclimatar los microorganismos al sustrato. En la fase III, se utiliz agua residual pura.Durante todo el perodo experimental, el PMC utiliza para alimentar a los reactores fueron sometidos a la correccin del pH, ya que los valores de pH naturales estaban entre 4,0 y 4,8. Inicialmente, se utiliz la piedra caliza a una concentracin de 0,42 g de CaCO3 por g de la demanda qumica de oxgeno (COD). Sin embargo, debido a la mala solubilidad de la cal en el agua, en el decimotercero da fue sustituido con carbonato de sodio a una concentracin de 0,18 g de Na2CO3 por g de DQO que se mantuvo hasta la finalizacin del experimento. Los reactores se hicieron funcionar a temperatura ambiente que variaba de 6,4? C a 32,9 C con tiempos de retencin hidrulica de aproximadamente 1,3 das. La concentracin de DQO en el afluente se aument gradualmente a partir de 978 mg de L? 1-4.545 mg L? 1, correspondiente a la tasa volumtrica orgnico aplicado de carga (OLR) de 0.81e4.41 kg m? 3 d? 1 (Tabla 2).

Para cada OLR aplicado, el reactor se hizo funcionar hasta que se alcanz aparente equilibrio dinmico, indicado por el equilibrio entre el consumo de alcalinidad y la produccin de cidos voltiles. Por lo tanto, se mantienen las condiciones de equilibrio, lo que permite la recogida de muestras para ser utilizado en estudios cinticos posteriores. Despus de este perodo, la carga orgnica se increment en todos los reactores que operan en estas condiciones hasta que de nuevo alcanzar el equilibrio. Las condiciones operativas aplicadas se resumen en la Tabla 2.Monitoreo de los reactores se realiz por muestreo del afluente y efluente, la cuantificacin de las siguientes variables: demanda qumica de oxgeno de las muestras filtradas (CODF) y muestras no filtradas (Codt), slidos totales voltiles (TVS), la alcalinidad de bicarbonato (BA), cidos totales voltiles (TVA) y el pH. Todos los anlisis se realizaron conforme a las recomendaciones de la APHA et al. (2005).Los parmetros cinticos se obtuvieron despus de seguimiento de los valores de DQO a lo largo de la altura de los reactores. Estos perfiles se obtuvieron de 18 muestras (dos de cada fase de explotacin para los tres reactores). Se hicieron varios intentos para ajustar los modelos principales que se describen en la literatura (Tabla 3).Para el anlisis estadstico de los datos monitorizados, un designwas completamente aleatorios utilizados incluyendo 3 reactores, 3 fases y el nmero de repeticiones que varan de acuerdo con la frecuencia de las variables monitorizadas. A continuacin, se realiz un anlisis de varianza utilizando la prueba de Tukey, con una significacin estadstica de 5%.

3. Resultados y discusin3.1. Evaluacin del funcionamiento de los reactores de lecho fijo anaerbicas

Los reactores se evaluaron durante un perodo de 119 das que se dividi en tres fases operativas que duran 40, 41 y 38 das para las fases I, II y III, respectivamente. Duracin de cada fase se define por el tiempo necesario para el equilibrio de los reactores a ser alcanzados, indicados por el equilibrio entre el consumo de alcalinidad y la produccin de cidos voltiles. Los valores promedio de las variables monitoreadas para las tres fases se presentan en la Tabla 4.Durante todo el perodo experimental, se alimentaron los reactores con el PMC contiene concentraciones iguales de materia orgnica. Sin embargo, debido a la aparicin de grandes oscilaciones de caudal, era imposible de mantener las mismas condiciones de operacin tales como OLR, HRT y HLR (tasa de carga hidrulica) para los tres reactores (Tabla 2). Esta variacin fue probablemente relacionado con el sistema de alimentacin por gravedad reactor y la dificultad en el mantenimiento de bajo flujo a los sistemas que utilizan vlvulas de compuerta. Aumento de la resistencia de flujo de lquido, provocada por el crecimiento de biopelculas como una funcin del tiempo era otro obstculo observado. No hubo diferencia estadstica significativa (p> 0,05) entre las variables operacionales aplicados en R1 y R3, lo que indica que operaron en condiciones similares. Sin embargo R2 se someti a mayores OLRS y HRT inferiores (Tabla 2).Las variaciones en la temperatura registrada durante la totalidad de los perodos experimentales se presentan en la figura. 1. Se puede comprobar que para las tres fases evaluadas, los reactores funcionan en un rango de temperatura psychrophilic (0e20? C aproximadamente). Segn Collins et al. (2003), la digestin anaerbica en el rango phychrophilic es una opcin atractiva para el tratamiento de efluentes lquidos desechados a bajas temperaturas, que ofrece ventajas tcnicas y econmicas en relacin a los tratamientos convencionales. Sin embargo, la reduccin de la produccin de biogs y baja estabilidad de los residuos tratados son algunas de las desventajas asociadas con una baja temperatura de funcionamiento de los reactores anaerbicos (Zoutberg y DE Been, 1997). Por lo tanto, tanto las variaciones en el flujo y la temperatura ambiente probablemente contribuy a la inestabilidad observada en los efluentes del reactor, principalmente durante la fase III.Se observ que los valores de pH en el efluente del reactor se mantuvieron dentro de la gama de 6.5e8.2 durante todo el perodo experimental que se inform como adecuado para procesos anaerbicos (Speece, 1996). R1 genera efluentes con valores de pH mayores, estadsticamente diferentes de los otros reactores. Este hecho puede estar relacionado con los componentes de neutralizacin presentes en las cenizas, tales como calcio y magnesio, tanto alcalina.La figura. La figura 2 ilustra el comportamiento de la alcalinidad de bicarbonato y la concentracin de cido voltil en el efluente de cada reactor. Durante todo el perodo, la alcalinidad de bicarbonato en el efluente era siempre mayor que en el influente del reactor. Sin embargo la concentracin de TVA mostr un comportamiento opuesto que representa un equilibrio entre las poblaciones acidognicas y metanognicas. Desequilibrio proceso con un losswas eficiencia verificados en el inicio de la tercera fase. La carga orgnica mxima aplicada a los reactores junto con una disminucin de temperatura (91a da de operacin), result en una reduccin de los valores de BA con la elevacin acentuada de las concentraciones de TVA. El tratamiento anaerbico a bajas temperaturas conduce a una tasa de utilizacin de sustrato inferior, y en consecuencia, la acumulacin de material orgnico residual y productos intermedios tales como cidos voltiles en el reactor que reflejan un desequilibrio cintica entre los productores y consumidores de cido (Mechichi y Sayadi, 2005) .Las variaciones en el afluente (Codt) y el efluente (Codt y CODF) muestras se pueden ver en la figura. 3. Se observ que las concentraciones de material orgnico en las muestras filtradas y no filtradas fue similar, lo que probablemente indica que casi todos los COD en theWCP origin a partir de material disuelto.

El efecto de la NSR en el rendimiento de los reactores en trminos de eficiencia de remocin de DQO se presenta en la figura. 4. Se verific que cada aumento en la carga orgnica influente result en un aumento en la capacidad de asimilacin de los reactores. Es de gran inters para establecer un lmite de capacidad de sacudidas de carga asimilados a los reactores, pero la extrapolacin no es posible a partir de los resultados de este estudio, que no llegan al lmite de la capacidad de predecir el comportamiento de los reactores para cargas mayores. Respuesta de los reactores para aumentar la carga orgnica era probablemente una consecuencia del mtodo utilizado para imponer sacudidas de carga orgnicos que permiti para la pre-adaptacin de la biomasa con mayor COD.Se observ que en la fase III reactor R3 mostr la superioridad relativa sobre R1, probablemente debido a la mejor adaptacin de la biomasa al sustrato, evidenciado por la diversidad microbiana ms alta observada en R3 (FIA et al., 2010), as como una mayor la estabilidad de este reactor debido a los menores valores de TVA / BA. La presencia de una mayor masa de microorganismos, indicado por la TVS, tambin verificada en la fase III para R3 contribuy a su mayor rendimiento. Estadsticamente, se verific que R1 y R3 presentan un rendimiento similar para las tres condiciones evaluadas (p> 0,05). Sin embargo, el reactor R2 se destac entre los otros (p 2 (Grau et al., 1975). El modelo cintico de segundo orden y modelo modificado de Stover-Kincannon eran los que mejor representa el comportamiento cintico de los reactores de lecho fijo anaerbicas.

Los parmetros cinticos obtenidos con la aplicacin de estos modelos se presentan en la Tabla 6 y las Figs. 5 y 6. La Tabla 7 presenta las constantes cinticas obtenidas en otros trabajos publicados.Se verific que hay una gran variacin en los valores reportados en la literatura. En general, los parmetros cinticos obtenidos en el presente trabajo se encontraron para estar dentro del rango de variacin presentado por los diversos autores, donde las diferencias observadas entre los reactores son principalmente debido a la configuracin de los reactores y de las caractersticas intrnsecas de las aguas residuales analizados. El segundo modelos Stover-Kincannon modificados orden y se ajustaron de manera satisfactoria a los datos experimentales y pueden ser utilizados en futuros estudios sobre el tratamiento del PMC en los reactores anaerobios.

La figura. 5. Determinacin de los coeficientes cinticos de la segunda orden para multicomponente modelo de degradacin del sustrato en cada fase experimental (R1: R2: cenizas, de espuma y R3: piedra triturada).

La figura. 6. Determinacin de los coeficientes cinticos del modelo modificado Stover-Kincannon en cada fase experimental (R1: cenizas, R2 y R3: espuma: piedra triturada).

4. CONCLUSIONES

En relacin con el rendimiento de los reactores, se podra concluir que las caractersticas del material de soporte influyeron en la degradacin de la materia orgnica. La estructura porosa del poliuretano revel un mejor rendimiento que las otras estructuras para las condiciones de la presente experimento. El reactor presenta una eficiencia media de eliminacin de 80% (muestras no filtradas) cuando se opera bajo la NSR de 4,41 kgm? 3 d? 1 y HRT de 1,06 das.El segundo fin de degradacin del sustrato de mltiples componentes y modelos cinticos Stover Kincannon modificados eran los ms apropiados para describir el comportamiento cintico de los reactores de lecho fijo anaerbicas en el tratamiento de WCP.Los resultados indican el potencial de aplicacin de espuma de poliuretano como material de soporte para los reactores anaerobios para el tratamiento de efluentes agroindustriales. Por otra parte, se comprob que los reactores de lecho fijo anaerobias son una opcin viable para el tratamiento de las aguas residuales de procesamiento de grano de caf.