1 tratabilidad aeróbica de efluentes de curtiembre en la

TRATABILIDAD AERÓBICA DE EFLUENTES DE CURTIEMBRE EN LA ETAPA DE
TERMINACIÓN
Melga Galisteo (1) Ingeniera Química (1991), Asistente del Dpto. de Ingeniería de Reactores desde 1993, Instituto
de Ingeniería Química. Facultad de Ingeniería. E-mail: galisteo@fing.edu.uy.. Actualmente culminando su Maestría
en Ingeniería Química en transferencia de oxígeno. Ha participado en Proyectos de Investigación y en Convenios
del Instituto. Hace enseñanza de grado y ha realizado otros cursos de especialización y posgrado y estadías en el
exterior. Tiene presentaciones en Congresos Internacionales y publicaciones en revistas arbitradas.
Sandra Hermida Veret: Asistente del Departamento de Análisis, Instituto de Ingeniería Química. Facultad de
Ingeniería. E-mail: shermida@fing.edu.uy. Cursos de Posgrado y Seminarios de especialización en Técnicas
Analíticas Instrumentales, en Control Ambiental y en Calidad Total.
María Viñas Sendic: Ingeniero Químico (1969). Posgrado: Instituto Mendeleev, RUSIA (1980). Investigador en la
Coordinación de Ingeniería Ambiental, Instituto de Ingeniería, UNAM, México, (1980-1985). Actualmente Profesor
Titular, Dpto. de Ingeniería de Reactores del Instituto de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería. Montevideo,
URUGUAY.
(1)
Julio Herrera y Reissig 565, CP 11300 Montevideo, Uruguay. Tel: +598-2-7110871/7114478/7109398 int 102.
Fax: +598-2-7107437 . e-mail: galisteo@fing.edu.uy.
RESUMEN
En el presente trabajo se estudia experimentalmente la tratabilidad biológica de un efluente proveniente de una
curtiembre de terminación. Los procesos y productos utilizados en las etapas de recurtido, engrase y teñido le
confieren características especiales al efluente generado, encontrándose poca información disponible para el diseño
de un sistema biológicos de tratamiento. La evaluación de este tipo de sistemas, en base a los modelos
multicomponente actuales, implica conocer las constantes cinéticas y estequiométricas y caracterizar al sustrato en
relación a la presencia en el mismo de fracciones con diferentes velocidades de degradación. Mediante la realización
de ensayos en discontinuo y técnicas respirométricas se determinan el coeficiente de rendimiento en biomasa (YH),
la velocidad específica de crecimiento máximo (µH), los porcentajes de DQO rápida y lentamente biodegradable y la
fracción residual inerte. Los resultados muestran que luego de una etapa de separación fisicoquímica existe una
fracción no biodegradable de un 22-23 % y que los valores de las constantes para la degradación del DQO soluble
son del orden de las halladas para efluentes provenientes de procesos clásicos de curtiembre. La realización de una
etapa de tratamiento anaerobia previa al tratamiento aeróbico favorece la degradación del nitrógeno orgánico en el
sistema, comportamiento similar al reportado en otros trabajos sobre degradación de azo compuestos componentes
de tinturas.
Palabras Clave: efluentes de curtiembre, sistema aeróbico, fraccionamiento de la DQO, constantes cinéticas.
INTRODUCCION
La industria del curtido de cueros es una de las industrias tradicionales en el país, abarcando en la mayoría de los
casos un proceso global que incluye las etapas de curtido, recurtido, terminación y teñido. Los sistemas clásicos de
tratamiento de este tipo de plantas han sido relevados en profundidad (Viñas, 1996) e incluyen una separación de
corrientes, oxidación de sulfuros en las aguas de ribera, recuperación del cromo en las aguas de curtido, mezcla y
1
sedimentación. La inclusión de una etapa de sedimentación produce un efluente con calidad para vertido a colector
(700mg/L de DBO5 ) (Viñas et al., 2000), requiriéndose una etapa biológica posterior para alcanzar los valores
exigidos para vertido a curso de agua (60mg/L de DBO5).
Menos caracterizados están los sistemas de tratamiento para el caso de las industrias que se dedican a las etapas
finales de recurtido, engrase y teñido. Las características del efluente cambian significativamente debido a la mayor
incidencia en la mezcla final de corrientes de los productos utilizados en estas etapas. Estos productos consisten
básicamente en aceites, dispersantes, recurtientes, colorantes azoicos y de complejo metálico, ceras, pigmentos y
alcoholes, que aportan una carga contaminante con un alto porcentaje de componentes resistentes a la
biodegradación.
En el presente trabajo se plantea estudiar experimentalmente la tratabilidad aeróbica de estos efluentes, ya que los
procesos anaerobio no son suficiente para alcanzar los requerimientos de las normas, presentando además fuertes
problemas de olores debido a la existencia de compuestos de sulfuro.
Para poder predecir y evaluar la tratabilidad biológica aeróbica de un agua residual en base a los modelos multicomponente desarrollados en los últimos tiempos es necesario conocer no sólo las constantes cinéticas y
estequiométricas relativas a esa agua en particular, sino también caracterizar las diferentes fracciones de la DQO
total del efluente a tratar. El reconocimiento de la existencia de estas fracciones con diferentes velocidades de
degradación en los sustratos ha sido uno de los aspectos más importantes en la comprensión y modelado de los
sistemas de lodos activados, convirtiéndose la identificación de las fracciones de DQO rápida y lentamente
biodegradable y la fracción inerte residual en un aspecto fundamental de la caracterización integral de las aguas
residuales.
En este estudio se utilizó un efluente proveniente de una curtiembre que sólo realiza las etapas de terminación a
partir de cueros ya curtidos. Se analizó el efluente crudo y los efluentes obtenidos luego de los procesos existentes
en la industria: sedimentación química y un posterior proceso de tratamiento anaerobio con lagunas,. Se determinó
experimentalmente las diferentes fracciones de DQO del efluente ( rápida y lentamente biodegradable e inerte) y los
parámetros cinéticos y estequiométricos relativos a la DQO biodegradable y se realizó una primera aproximación al
comportamiento del nitrógeno en el sistema.
El conocimiento de estos parámetros permite evaluar y predecir la tratabilidad biológica del agua residual y decidir
acerca de las formas de tratamiento.
MATERIALES Y MÉTODOS
Procedimiento experimental
Se caracterizó el efluente crudo, y los efluentes resultantes luego de la etapa de sedimentación primaria y luego de
una etapa adicional de tratamiento anaerobio en relación a su contenido de materia orgánica y nutrientes.
Se realizaron ensayos de degradación a través del seguimiento de la evolución de la DQO y la DBO5 con el tiempo.
Para la determinación de las constantes cinéticas principales, como la velocidad de crecimiento máximo heterótrofo
(µH ) coeficiente de rendimiento heterótrofo (YH) y la fracción de sustrato rápidamente biodegradable se utilizaron
los métodos respirométricos descriptos por Kappeler y Gujer(1992) y Orhon y Artan (1994). Para la determinación
de las fracciones residuales de DQO se siguió la metodología recomendada por Orhon y Artan (1994).
Las experiencias se llevaron a cabo en un reactor discontinuo de laboratorio, de 10 L de volumen con agitador
incorporado. El reactor fue llenado con una mezcla de efluente y biomasa, de manera de lograr relaciones de
sustrato a microorganismos iniciales adecuadas. El aire se suministró al sistema a través de una serie de difusores
porosos distribuidos en el fondo del reactor. El control de la concentración de oxígeno disuelto y las
determinaciones de las velocidades de consumo de oxígeno (VCO) se realizaron con un medidor con sonda
polarográfica incorporado al sistema y un registro automático de la información. Se realizó un seguimiento diario de
la evolución de la DQO total y soluble, la VCO y el nitrógeno total y amoniacal. Se determinó también la DBO5 en
las condiciones iniciales y finales de cada ensayo.
2
Ensayos cinéticos.
Para los ensayos de degradación y la determinación de los parámetros cinéticos y estequiométricos se utilizó el
efluente de salida del sistema de sedimentación primaria y el efluente proveniente de un tratamiento anaerobio
posterior a la etapa de sedimentación. En ambos casos se adicionó fósforo al sistema, dado que los resultados de
caracterización del efluente y ensayos preliminares de degradación aeróbica con el efluente tal cual provenía de la
planta mostraron que la relación fósforo/carbono es insuficiente para llevar a cabo adecuadamente el proceso
biológico. Se agregó entonces KH2PO4 alcanzando las relaciones recomendadas para sistemas aeróbicos,
DQO:N:P= 100:5:1 (Droste,1997)
El reactor fue inoculado con lodos previamente aclimatados a partir de lodos extraídos del fondo de lagunas de un
sistema de tratamiento de una industria de curtiembre.
Técnicas analíticas
Los análisis se realizaron de acuerdo al Standard Methods (APHA, 1995). Las deteminaciones de VCO se
realizaron interrumpiendo temporalmente el suministro de oxígeno, utilizando el medidor de oxígeno disuelto y un
sistema de adquisición continua de datos. La biomasa presente en el sistema fue evaluada a través de la
determinación de la concentración de sólidos suspendidos volátiles y observaciones al microscopio.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Caracterización inicial del efluente
Los resultados de la caracterización del efluente crudo, del efluente posterior a la sedimentación físicoquímica y del
efluente posterior al tratamiento anaerobio se presentan en la Tabla 1
TABLA 1: Caracterización del efluente
mg/L
Efluente
Salida de la
crudo
sedimentación
fisicoquímica
DQO total
12000
6700
Salida del sistema
anaerobio
2400
DQO centrifugado
10795
6102
2300
DBO5
2630
2280
900
N total
300
240
120
N amoniacal
100
120
70
pH
4,2
7,0
7,6
7
1
P
AV
Cr
74
35,0
0,24
0,06
Los resultados muestran que en los tres casos analizados existe un déficit de fósforo en relación a la materia
orgánica presente, según los valores recomendados para tratamientos aeróbicos.
La relaciones DQO/DBO5 en el efluente crudo y luego de la etapa fisicoquímica indican que la sedimentación
remueve elementos difícilmente biodegradables, asegurando también una remoción casi completa del cromo. La
relación entre el DQO total y el centrifugado indican que en los efluentes posteriores a la sedimentación o al
tratamiento anaerobio el porcentaje de material particulado en suspensión es mínimo.
Debido a estos resultado se resuelve realizar los ensayos de tratabilidad aeróbica en el efluente posterior el
tratamiento físicoquímico y en el efluente posterior al tratamiento anaerobio. Los resultados de caracterización de
3
los efluentes indican claramente la conveniencia de mantener una primera etapa de sedimentación físicoquímica que
elimina elementos no biodegradables.
Ensayos aeróbicos
En la Tabla 2 se presenta la composición media de los efluentes utilizados en los ensayos
TABLA 2: Composición media de los efluentes utilizados
Efluente
DQO (mg/L) DBO5 (mg/L) Ntotal (mg/L)
Namoniacal (mg/L)
Sedimentado
5500
3000
210
80
Salida del sistema anaerobio
3700
2000
150
60
Las figuras 1 y 2 muestran perfiles típicos de evolución de la DQO y la VCO obtenidos para el efluente
sedimentado.
90
80
7 0 00
DQO (mg/L)
6 0 00
70
60
50
5 0 00
4 0 00
40
30
20
3 0 00
2 0 00
1 0 00
D Q O so l
0
0
2
4
T iem p o (día s)
10
0
% rem o ció n so l.
6
8
VCO(mg/L/s)
Figura 1- Variación con el tiempo de la DQO y los porcentajes de remoción para el efluente
sedimentado
0.01
0.009
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
tiempo(minutos)
12000
14000
Figura 2- Variación con el tiempo de la VCO para el efluente sedimentado
4
En las figuras 3 y 4 se presentan curvas típicas obtenidas para la variación diaria de la DQO soluble y la VCO para
el agua a la salida de la etapa anaerobia.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
4000
DQO (mg/L)
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
DQO soluble
0
0
1
2
% de remoción
3
4
5
Tiempo (días)
Figura 3: Variación con el tiempo de la DQO y los porcentajes de remoción para el
agua de salida de la etapa anaerobia
0.03
VCO (mg/L/s)
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
tiem po(m inutos)
Figura 4: Variación con el tiempo de la VCO y los porcentajes de remoción
para el efluente sedimentado
Los resultados experimentales permiten identificar las siguientes fracciones con diferentes características de
biodegradación en la DQO total del sustrato, para el efluente de salida de la etapa de tratamiento fisicoquímico:
DQO rápidamente biodegradable: 18%
DQO rápida y lentamente hidrolizable: 60%
DQO inerte: 22%
Luego de la etapa adicional de tratamiento anaerobio, los valores calculados para las diferentes fracciones de DQO
son:
DQO rápidamente biodegradable: 11%
DQO rápida y lentamente hidrolizable: 66%
5
DQO inerte: 23%
En la tabla 3 se presentan los valores finales promedio de las DBO5 y los nitrógenos total y amoniacal para cada
líquido de trabajo.
TABLA 3: Valores promedio finales de DBO5 y nitrógeno
Efluente
DBO5 (mg/L) Ntotal (mg/L)
Namoniacal (mg/L)
Sedimentado
30
160
70
Salida del sistema anaerobio
60
70
55
En todos los ensayos realizados se observó la presencia de los microorganismos que se encuentran típicamente en
los sistemas de tratamiento aeróbico, presentando los mismos un buen nivel de actividad.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Los resultados muestran que controlando el nivel de nutrientes, tanto el agua de salida del sistema de tratamiento
fisicoquímico como el agua de salida del sistema anaerobio son biodegradables aeróbicamente. Los porcentajes de
remoción de DBO5 entre 97 y 99 % permiten obtener efluentes con calidad para vertido a curso de agua, según la
normativa local.
De los resultados experimentales es posible estimar además de las diferentes fracciones de la DQO, los parámetros
YH y µ H.
El valor del coeficiente estequiométrico YH se calcula como:
YH = 1-∆O2/ ∆DQO
siendo ∆O2 el oxígeno consumido para la correspondiente variación de la DQO soluble (Orhon, 1994).
A partir de los ensayos realizados en condiciones de crecimiento heterotrófico ilimitado (relación de sustrato a
biomasa, expresada como DQO/SSV de aproximadamente 4), se determina la velocidad de crecimiento específico
máximo, según el método desarrollado por Kappeler y Gujer (1992) suponiendo un valor de bH del 5% de la µ H.:
ln (VCOt /VCOo) = (µ H - bH) t
Los valores hallados ponen de manifiesto la complejidad del efluente siendo la fracción fácilmente biodegradable
un porcentaje bajo de la DQO biodegradable total y existiendo además una fracción del orden del 22% que
corresponde a material recalcitrante residual. Las velocidades de crecimiento específicas máximas y los coeficientes
de crecimiento heterótrofo correspondientes a la DQO biodegradable son del orden de las halladas para efluentes de
curtiembre luego de una etapa de sedimentación química. (Orhon et al., 1998).
Los perfiles de VCO y los valores de nitrógeno obtenidos indican la ocurrencia de nitrificación durante los ensayos
aeróbicos realizados con el efluente final proveniente del proceso de sedimentación fisicoquímica seguido de la
etapa biológica anaerobia. En el caso del efluente que fue sometido únicamente a un proceso fisicoquímico antes del
tratamiento aeróbico, la variación del nitrógeno es menor.
Esto coincide con referencias de bibliografía (Tan, 2001) que establecen que ciertos compuestos típicos de algunas
tinturas con doble enlace de nitrógeno pueden ser recalcitrantes en ambientes aeróbicos. Algunos de estos estudios
indican que estos compuestos se podrían degradar si se someten a un proceso anaerobio - aeróbico. La realización de
ensayos trabajando con etapas anaerobio - aeróbico, realizando un seguimiento no sólo de nitrógeno orgánico, sino
también de nitratos y nitritos, permitiría confirmar lo anterior.
Los valores de los parámetros hallados, así como los porcentajes de remoción se resumen en la Tabla 4.
6
TABLA 4: Resumen de resultados
Parámetro
Remoción DQO (%)
Remoción DBO5 (%)
Remoción Ntotal(%)
Remoción N amoniacal (%)
DQO rápidamente biodegradable (%)
DQO rápida y lentamente hidrolizable (%)
DQO inerte (%)
YH (gDQO celular/DQOremovido)
µ H (día-1)
Efluente de la
sedimentación
fisicoquímica
78
99
24
46
18
60
22
0.55
2.5
Efluente del sistema
anaerobio
77
97
53
61
11
66
23
0.6
9
CONCLUSIONES
Los procesos de terminación del curtido de cueros producen efluentes con composición compleja y una baja fracción
de material rápidamente biodegradable. Realizando una etapa previa de sedimentación fisicoquímica y controlando
el nivel de nutrientes es posible la biodegradación aeróbica de los mismos, con altos porcentajes de degradación
expresada en DBO5. Luego del tratamiento permanece una fracción del orden del 22 % de DQO recalcitrante.
Los coeficientes cinéticos y estequiométricos calculados en relación a la DQO degradable varían según los procesos
previos a los que haya sido sometido el efluente. La etapa experimental de obtención de los parámetros
estequiométricos y cinéticos permiten modelar y predecir en forma confiable el comportamiento de los sistemas de
tratamiento aeróbico.
El diseño de un sistema de tratamiento que implique la remoción de nitrógeno es posible considerando la realización
de procesos secuenciales anaerobio-aeróbicos que potencian la degradación de compuestos nitrogenados del tipo
azo.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
APHA (1995) Standard methods for the examination of water and wastewater, 19 Ed., American PublicHealth Association,
Washington
Droste, R.L (1997) Theory and practice of water and wastewater treatment, J. Wiley and sons, USA
Kappeler, J; Gujer, W (1992) Estimation of kinetics parameters of heterotrophic biomass under aerobic conditions and
characterization Wat. Sci. Tech, 25-6, 125-139
Orhon,D; Artan, N (1994) Modelling of activated sludge systems, Technomic Press, Lancaster, PA
Orhon,D; , Sozen, S; Cokgör,E; Genceli, E; (1998) The effect of chemical settling on the kinectics and design of activated sludge
for tannery wastewaters, Wat. Sci. Tech, 38,4-5,355-362
Tan,N (2001) Integrated and sequential anaerobic/aerobic biodegradation of azo dyes, Ph.D.Thesis, Sub-Department of
Environmental Technology, Wageningen University, Netherlands
Viñas,M; Peláez, H (1996) Industria del cuero en el país - Proyecto CIID 90-0163
Viñas,M; Galisteo,M; Hermida,S (2000) Evaluación respirométrica de la biodegradabilidad aeróbica de un efluente de
curtiembre XXVII Congreso Interamericanode Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Brasil.
7