Acoplamiento de procesos biológicos en un reactor híbrido tipo carrusel para la depuración de un agua residual industrial - Velasco Garduño, Oscar (Universidad Autónoma Metropolitana, 2020)
Las descargas de aguas residuales industriales de composición química compleja tienen gran relevancia a nivel mundial, por la presencia de materia orgánica, contaminantes emergentes y compuestos de nitrógeno. Debido a esto, cobra la necesidad y la urgencia de desarrollar sistemas de tratamiento que permitan que las descargas de aguas residuales no causen un deterioro en los cuerpos receptores de agua. En este trabajo de tesis se propuso un reactor híbrido tipo carrusel para evaluar el acoplamiento de diferentes procesos biológicos en una sola unidad experimental con la finalidad de tratar un agua residual industrial de composición química compleja. El reactor híbrido consistió en un sistema multimodular con la siguiente configuración: módulo aerobio, módulo de sedimentación o clarificador, y dos módulos facultativo-anaerobio. El reactor carrusel construido de material acrílico de 21.5 L se diseñó con el software AutoCAD®. Se evaluó la Dinámica de Fluidos Computacional a diferentes tiempos de residencia hidráulica (4-24 h) considerando las condiciones operaciones del sistema con la finalidad de identificar comportamientos hidrodinámicos anómalos dentro del mismo. La principal conducta anómala identificada fue la presencia de recirculaciones internas en la interfase que conecta el módulo de lodos activados al clarificador secundario, dicho comportamiento anómalo se corrigió mediante la instalación de una propela. Una vez realizadas las correcciones hidrodinámicas, el reactor híbrido se operó en continuo a un TRH de 1 día, utilizando agua sintética y agua residual industrial (influente procedente de una planta de tratamiento del parque industrial Lerma, Edo. Méx). Empleando el agua sintética, la DQO y el amonio se eliminaron mediante nitrificación, actividad heterotrófica, metanogénesis y desnitrificación, con eficiencias cercanas al 95% para la DQO y del 50% para el amonio; teniendo como productos finales N2 y CH4. Mientras que, con el agua residual industrial, el amonio y la DQO se eliminaron mediante nitrificación parcial, actividad heterotrófica y desnitrificación, con una eficiencia de remoción para la DQO alrededor del 50%. El reactor híbrido permitió el acoplamiento de procesos biológicos para la eliminación de materia orgánica y amonio de un agua residual industrial con una eficiencia significativa, considerando la complejidad del agua y la posible presencia de compuestos recalcitrantes. Se decidió utilizar una molécula modelo de la industria farmacéutica, para evaluar su efecto en la actividad de los lodos activados; por la disminución en la remoción de la DQO observada en el cultivo continuo. La molécula seleccionada fue el “metronidazol”, considerando que es una de las sustancias activas usadas como medicamento de referencia y que se produce en la zona industrial de Lerma, además de estar en el cuadro básico de libre venta y de ser una molécula poco estudiada en un sistema de lodos activados. Se evaluaron 9 concentraciones iniciales de metronidazol (5-100 mg/L) utilizando un inóculo de 2,109.00 ± 129 mg SSV/L de lodos activados, en cultivos en lote. Los resultados experimentales mostraron que a una concentración de 5 mg/L de metronidazol, la velocidad específica de consumo de la DQO y amonio disminuyeron en 12.9% y 7%, respectivamente, con respecto al control, mientras que a 10 mg/L hubo una disminución de 16.6% en la remoción de la DQO y un 9.6% en la de amonio. En resumen, las eficiencias de remoción de la DQO y del amonio fueron a la baja debido al incremento de la concentración inicial del metronidazol. Respecto a la conducta cinética, las velocidades de producción de nitrato fueron disminuyendo, mientras que las velocidades de producción de nitrito fueron aumentando. Los resultados indicaron que el metronidazol tuvo un efecto negativo en el paso de la oxidación del nitrito aún en presencia de la materia orgánica. Finalmente, el lodo activado no fue capaz de biotransformar el metronidazol durante el periodo de incubación, no obstante, el compuesto azol sí modificó significativamente su conducta fisiológica.; Industrial wastewater discharges of complex chemical composition have great relevance worldwide, due to the presence of organic matter, emerging pollutants and nitrogen compounds. Because of this, it is necessary to develop new technologies that allow the pollutants removal from wastewater avoiding further deterioration of water quality. In this work, hybrid carousel-type reactor was proposed to evaluate the coupling of biological processes in a single experimental unit in order to treat industrial wastewater with complex chemical composition. The hybrid reactor consisted of a multimodular system with the following configuration: aerobic module, clarifying module, and two anoxic-anaerobic modules. The carousel reactor constructed of 21.5L acrylic material was designed with AutoCAD® software. Computational Fluid Dynamics was evaluated at different HRT (4-24 h) considering the operating conditions of the system in order to identify anomalous hydrodynamic behaviors. The main anomalous behavior identified was the presence of internal recirculatory flows in the interface that links the activated sludge module to the clarifying module; this anomalous behavior was corrected by installing a propeller. Once the hydrodynamic correction was made, hybrid reactor was operated at HRT of 1 day, using synthetic and industrial wastewater. When bioreactor was fed with synthetic wastewater, COD and ammonium were removed by nitrification, heterotrophic activity, methanogenesis, and denitrification, with removal efficiencies of 95% for COD and 50% for ammonium, having N2 and CH4 as end products. While, with industrial wastewater, ammonium and COD were removed by partial nitrification, heterotrophic activity and denitrification, with COD removal efficiencies around 50% The hybrid reactor allowed the coupling of biological processes for removing organic matter and ammonium from industrial wastewater with significantly efficiency, considering the chemical complexity of the wastewater and presence of recalcitrant compounds. Therefore, it was decided to use a model molecule from the pharmaceutical industry, to evaluate its effect on the activity of activated sludge, due to the decrease in COD removal observed in continuous culture. The selected molecule was "metronidazole", considering that it is one of the active substances used as a reference medicine, in addition to be produced in the industrial area of Lerma. On the other hand, there is little information in the literature about metronidazole removal by activated sludge system. Nine initial metronidazole concentrations (5-100 mg/L) were evaluated using an inoculum of 2,109.00 ± 129 mg SSV/L of the activated sludge, in batch cultures. The results showed that at initial concentration of 5 mg/L of metronidazole, the COD and ammonium specific consumption rates decreased by 12.9% and 7%, respectively, according to the control, while at 10 mg/L there was a 16.6% for COD and 9.6% for ammonium. To sum up, the COD and ammonium removal efficiencies were in decline due to the increment of initial metronidazole concentration. Regarding the kinetic behavior, the nitrate production rates were decreasing, whereas nitrite production rates were increasing. The experimental results suggested that metronidazole had a negative effect on the nitrite oxidation step even in the presence of organic matter. Finally, the activated sludge was not able to biotransform metronidazole in the incubation period; however, the azole compound significantly affected its physiology.