Remoción conjunta de materia orgánica, nitrógeno y fósforo mediante un sistema combinado entre lodo anaerobio y microalgas a escala de laboratorio

Abstract

RESUMEN : El tratamiento de aguas residuales mediante procesos biológicos es uno de los métodos más empleados en la actualidad. Esto debido a la naturaleza compleja de dichas aguas, a su composición y a la posibilidad de implementar ambientes (anaerobios, aerobios, anóxicos) que permitan la remoción de nutrientes como el carbono (C), nitrógeno (N) y fósforo (P). Por otro lado, la acumulación de nutrientes en los cuerpos de agua altera la estructura y el funcionamiento de los ecosistemas acuáticos, al amenazar su estabilidad. Con base en lo anterior, el objetivo de esta investigación fue diseñar y evaluar un sistema alternativo para el tratamiento combinado de aguas residuales domésticas. El sistema incluye una primera fase anaerobia para la descomposición de la materia orgánica presente en el agua residual y en la segunda fase, un proceso en el que la eliminación de nutrientes es realizada mediante un cultivo de microalgas en un fotobiorreactor. El tren de tratamiento fue alimentado con un agua residual sintética de características similares a un agua residual doméstica, al mantener una relación C:N:P media de 100:10:1. La concentración media en el afluente en términos de demanda química de oxígeno (DQO), nitrógeno total (NT) y fósforo total (PT) fue de 628 mg/L, 64 mg/L y 8 mg/L respectivamente. Los parámetros de operación del sistema incluyeron un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 6 h en la fase con lodo anaerobio y de 24 h en la fase con microalgas. Otros parámetros de importancia fueron el tiempo de retención de solidos (TRS) en la fase anaerobia de 15 d y de 2 d en el fotobiorreactor, así como un fotoperiodo de 24 h a una intensidad lumínica de 5000 lux. Adicionalmente, se realizó un estudio de la ecología microbiana de microalgas en el fotobiorreactor y cultivos in vitro de especies modelo de algas verdes y cianobacterias mediante la aplicación de técnicas fluorimétricas. De acuerdo con los resultados obtenidos, factores ambientales como la iluminancia y la temperatura favorecen la dominancia de las cianobacterias sobre otros grupos taxonómicos de microalgas. Sin embargo, parámetros operativos como el TRS pueden ser ajustados para controlar las poblaciones de microalgas en fotobiorreactores y favorecer la eliminación de nutrientes. A partir de la operación del sistema híbrido se obtuvieron eficiencias para la remoción de DQO del 94%, del 30% para el NT y del 15% para el PT. Estos resultados permitieron concluir que cultivos mixtos de microalgas pueden ser empleados como tratamiento terciario para la eliminación de nutrientes en sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas.

ABSTRACT : Nowadays, the biological processes are one of the most used methods for wastewater treatment. Due to the several environments implementation (anaerobic, anoxic, and aerobic conditions) for the pollutant removal (as nutrient as nitrogen and phosphorus), according to the wastewater complex nature and its composition. On the other hand, nutrient accumulation in the water bodies alters the structure and functioning of aquatic ecosystems, threatening their stability. In consonance, this research aimed to design and evaluate an alternative system for the combined treatment of domestic wastewater. The system includes a first phase with anaerobic sludge for the organic matter decomposition. In the second phase, a microalgae culture carried out nutrient elimination in a photobioreactor. The influent mean concentration in terms of chemical oxygen demand (COD), total nitrogen (TN), and total phosphorus (TP) was 628 mg/L, 64 mg/L, and 8 mg/L, respectively. The system operation parameters include a hydraulic retention time (HRT) of 6 hours in the anaerobic stage and 24 h in the microalgae stage. Other parameters of importance were 15 and 2 d of solids retention time (SRT) in the anaerobic phase and the photobioreactor, respectively. The photoperiod in the photobioreactor was 24 at a light intensity of 5000 lux. Fluorescence techniques were applied to analyse the microalgae growth in the photobioreactor. In addition, a microbial ecology analysis with green algae and cyanobacteria model species was carried out in vitro cultures. According to the results, environmental factors such as illuminance and temperature favour the dominance of cyanobacteria over different microalgae taxonomic groups. However, the adjustment of the operational parameters such as SRT control the microalgae populations in photobioreactors and increase nutrient removal. The performance of the hybrid system for COD, TN, and TP was 94%, 30%, and 15%, respectively. According to the results, microalgae mixed cultures could be used as tertiary treatment for nutrient removal in domestic wastewater treatment systems.