Resumen:
Las industrias procesadoras de alimentos vierten residuos líquidos con alta
carga orgánica y nitrogenada (como proteínas) que producen un fuerte impacto
ambiental. Para la remoción biológica de estos contaminantes se utilizan reactores
biológicos anóxicos, anaeróbicos, aeróbicos y últimamente reactores compactos
que incluyen estas tres etapas. En este trabajo se modeló la etapa aeróbica y se
anexó a un modelo de un filtro anóxico – anaeróbico. Esto permitió el estudio de
un reactor filtro de flujo ascendente secuencial anóxico/anaeróbico/aeróbico con
recirculación de la etapa aeróbica a la anóxica para la remoción de compuestos
orgánicos y nitrogenados presentes en efluentes de la industria salmonera.
El modelo contempló tres aspectos: modelación de procesos bioquímicos y
fisicoquímicos, modelación de la biopelícula y modelo hidrodinámico del reactor.
El modelo de los procesos bioquímicos consideró como sustrato proteína,
usando un modelo simplificado de digestión anaeróbica y oxidación aeróbica de
ácidos grasos volátiles ( AGV ) para la remoción de carbono. Para la remoción de
nitrógeno el modelo consideró nitrificación en dos pasos (nitritación y nitratación),
y posteriormente desnitrificación en dos pasos (desnitratación y desnitritación),
formando nitrógeno gaseoso como producto final. Los procesos fisicoquímicos
incluidos en el modelo fueron las transferencias de masa en la interfase líquidogas
y el cálculo del pH. El modelo de la biopelícula fue representado por una
geometría de placa plana unidimensional, mientras que la hidrodinámica del
reactor tubular permitió modelarlo mediante una secuencia de seis reactores de
mezcla completa (CSTR ) para razones de recirculación (R) de 0 y 2, donde los
tres primeros CSTR fueron anaeróbicos-anóxicos, mientras que los tres últimos
fueron aeróbicos. De esta forma, se obtuvo un modelo pseudo-bidimensional del
reactor tubular, con dirección axial transversal en la biopelícula y dirección axial
longitudinal en el seno del fluido.
En cada CSTR se efectuó el balance de materia en estado transitorio de 13
compuestos disueltos y 8 tipos de biomasa en la biopelícula, además de 13
compuestos disueltos en el seno del líquido y de 5 componentes gaseosos en la
fase gas, el cálculo del pH en el seno del líquido y el espesor de la biopelícula,
generando un sistema de ecuaciones diferenciales parciales, que fue resuelto
iii
mediante el método de diferencias finitas discretizando la biopelícula en 30 nodos.
Así, se obtuvo un sistema de 671 ecuaciones diferenciales ordinarias que fueron
resueltas simultáneamente hasta el estado estacionario. El reactor completo se
resolvió iterativamente hasta la convergencia mediante la sustitución sucesiva de
la condición de entrada del reactor. Además se utilizó el método de Wegstein
como acelerador de convergencia.
El modelo fue calibrado y validado usando dos condiciones experimentales
en un reactor de laboratorio en operación continua. Se utilizaron valores promedio
de entrada de 554 ± 24 mg TOC de proteína L-1, salinidad de 24 g NaCl L-1, flujo
de 2,45 L d-1 y temperatura de 30 ºC, con R iguales a 0 y 2, respectivamente, para
un reactor tubular de volumen líquido de 4,56 L, de 168 cm de altura, relleno con
tubos corrugados de PVC de porosidad 0,78 y área específica de 438 m2 m-3. El
reactor se dividió en una zona anóxica-anaeróbica y una aeróbica, siendo la razón
de volumen de estas secciones aproximadamente 1:1. La validación del modelo se
realizó exitosamente comparando los parámetros carbono orgánico total (TOC ),
carbono inorgánico (CI ), nitrógeno amoniacal total (TAN ), 2 NO , 3 NO y pH ,
predichas con el modelo con las condiciones experimentales del reactor con R
igual 2. Del análisis de sensibilidad paramétrica se determinó que los parámetros
que más afectaron la predicción del modelo fueron la velocidad máxima de
crecimiento específico de la nitratación ( max,XNO ,23 ), la constante de inhibición de la
nitratación por 2 HNO ( HNO2 ,23 KI ) y el coeficiente de transferencia de materia líquidogas
del oxígeno ( L O2 k a ), los que afectan directamente al proceso de nitrificación.
Se realizaron simulaciones para condición de entrada de 529 mg TOC de
proteína L-1 y TRH= 2 d, operando el reactor filtro a 30 ºC y R = 2, modificando el
caudal de aire inyectado en la zona aeróbica. Para estas condiciones el modelo
predijo los siguientes resultados:
En la zona inferior (anóxica-anaeróbica) del reactor tubular, la realización de
la oxidación aeróbica de los AGV (por el OD recirculado) y la desnitrificación
completa de los x NO recirculados, por la biomasa heterotrófica aeróbica ( HAe X ),
junto con la digestión anaeróbica de TOC por la biomasa acidogénica ( AA X ) y la
iv
biomasa heterotrófica anaeróbica ( HAn X ), generando CI y TAN . En la zona
superior (aeróbica) del reactor, la presencia de las reacciones de nitritación por la
biomasa amonio-oxidante ( AO X ), nitratación por la biomasa nitrito-oxidante ( NO X ),
oxidación de AGV por HAe X , y en menor medida desnitrificación a bajas
concentraciones de OD ( OD c ) por esta misma bacteria.
Remoción global de TOC superior al 98%, para todo el rango de
concentraciones de OD en el seno del fluido ( OD,bulk c ), con remociones globales
de nitrógeno total del 61 y 64 %, producto de la nitrificación parcial y total en la
zona aeróbica, respectivamente. Esta última remoción es mayor, puesto que se
forma una mayor cantidad de x NO que luego son recirculados y desnitrificados a
nitrógeno gaseoso en la zona anóxica.
En la zona aeróbica ausencia de x NO para OD,bulk c < 0,4 mg OD L-1, por la
mayor afinidad de HAe X que AO X por OD a estas concentraciones permitiendo la
desnitritación del 2 NO formado. Además nitrificación parcial para
OD,bulk c < 1,6 mg OD L-1, puesto que las AO X tienen mayor afinidad por este
sustrato que las NO X . También permitió observar que para OD,bulk c > 5,0 mg OD L-1
la oxidación de TAN fue parcial, lo que se atribuyó primero a las inhibiciones de la
nitritación y nitratación por 3 NH y 2 HNO , y segundo a las limitaciones difusionales
que impiden el libre acceso del oxígeno hacia el interior de la biopelícula. En la
biopelícula de esta zona, los sustratos limitantes fueron principalmente el OD y los
AGV . El primero limita mayormente la nitritación y la nitratación, y el segundo la
desnitratación y desnitritación y en menor medida la oxidación aeróbica de AGV .
En conclusión, se modeló de forma satisfactoria el comportamiento de un
reactor tubular de biopelícula con recirculación, anóxico-anaeróbico-aeróbico, que
trata vertidos salinos con alta carga proteica. Este modelo permitió definir las
condiciones de operación, en particular de OD, que favorecieron las remociones
de materia orgánica y nitrógeno para el reactor filtro operando con R = 2.