REACTOR AEROBIO CON MEDIO DE SOPORTE FIJO UTILIZANDO BOTELLAS DE PET
Aerobic Reactor Using Fixed Support with PET Bottles
El tratamiento de aguas residuales, ha sido utilizado en muchas partes del mundo con diferentes sistemas de depuración de contaminantes. Sin embargo se ha comprobado que muchos de estos contaminantes representan un peligro para la salud del hombre y seres vivos. Debido a lo anterior el objetivo de esta investigación fue implementar un reactor biológico rectangular de 90 litros de capacidad, aireado y conteniendo en su interior botellas plásticas de PET (polietileno tereftalato) como medio de soporte para la producción de una biopelícula para el tratamiento de aguas residuales domésticas. Durante el experimento se monitoreó el influente y efluente donde se obtuvo una remoción de la Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO5) de 97.6% y Demanda Química de Oxígeno (DQO) de 97.7%, como parámetros indicadores de la calidad del agua residual tratada con un tiempo promedio de tratamiento de 2.72 horas.
Palabras clave: Biopelícula, tratamiento de aguas domésticas, polientileno tereftalato.
AbstractThe wastewater treatment is implemented worldwide using variety of systems to remove pollution because they are harmful to living beings. Therefore, the objective of this study was to construct and use a 90 liter rectangular biological reactor with aeration that contained PET (polyethylene terephthalate) plastic bottles. Inside the reactor the surface of these bottles were used as means for the production of a biofilm to be later used for treatment of domestic wastewater. During the experiment, influent and effluent water was monitored. In order to evaluate the quality of the mechanism, the removal of the Biochemical Demand of Oxygen (DBO5) and Chemical Demand of Oxygen (DQO) were measured. The biochemical demand of oxygen was 97.7% and the chemical demand of oxygen was 97.6%. The average treatment time was 2.72 hours.
Key words: Biofilm, domestic water treatment, polyethylene terephthalate.
INTRODUCCIÓN
La biopelícula ha sido utilizada con éxito en el tratamiento de aguas durante más de un siglo (Atkinson, 1975), sin embargo, las ventajas de este tipo de procesos se hicieron de interés para un número considerable de investigadores en la década de los 80s, no sólo en el ámbito de tratamiento de aguas residuales, sino también en muchas otras áreas relacionadas con la biotecnología (Adler, 1987; Yang et al., 2013). Un gran número de proyectos de investigación actualmente se está llevando a cabo en reactores de biopelícula para la producción de sustancias bioactivas, para cultivos de plantas y células animales, producción de agua potable y tratamiento de aguas residuales (Castro et al., 2016; McNaught & Wert, 2015; Hu et al., 2013; Vendramel et al., 2015, Gu et al., 2014).
Una ventaja clave de procesos utilizando biopelícula es la influencia positiva de superficies sólidas sobre las bacterias. Esta actividad se observó hace más de 50 años, (ZoBell, 1943) y confirmada recientemente por otros investigadores (Bassin et al., 2012; Mohan et al., 2013; Dong et al., 2014; Park et al., 2010; Dvořák et al., 2014). Existe un considerable debate sobre el mecanismo que induce una mayor actividad de la biomasa fija, (Rusten et al., 2006; Wang et al., 2006). Algunos autores (Zhan et al., 2006; Hibiya et al., 2004; Jorgensen et al., 2004; Yan et al., 2009) atribuyen este fenómeno a modificaciones fisiológicas de células unidas. Se ha demostrado que los procesos de biomasa con medios de soporte fijos están menos afectados que los lodos en suspensión por los cambios en las condiciones ambientales como temperatura, pH, concentraciones de nutrientes, metabólicas productos y sustancias tóxicas (Tansel et al., 2006; Utgikar et al., 2002).
La actividad de la biopelícula no es proporcional a la cantidad de biomasa, pero aumenta con el espesor de la biopelícula hasta un nivel determinado, conocido como el "espesor activo" (Remoundaki et al., 2008). Por encima de este nivel, la difusión de nutrientes se convierte en un factor limitante, diferenciando así una biopelícula "activa" de una biopelícula "inactiva". Por consiguiente, una biopelícula estable, delgada y activa ofrece numerosas ventajas en el agua y en el tratamiento de aguas residuales. Con el fin de lograr este objetivo, es importante desarrollar métodos para la actividad de la biomasa fija, estimación que no sólo es simple y rápida, sino también sensible, precisa y representativa.
En la presente investigación se analizó y evaluó la eficiencia de un sistema biológico aerobio utilizando botellas de polietileno tereftalato (PET) como medio de soporte para facilitar la producción de biopelícula para el tratamiento de aguas residuales domésticas.
MATERIALES Y MÉTODOS
Construcción del sistema biológico aerobio y preparación del medio de soporte
Se construyó el reactor rectangular de vidrio de 50 cm de ancho, 61 cm de largo y 31 cm de alto, con adaptaciones de PVC para facilitar la aireación, alimentación y salida del agua tratada como se muestra en la Figura 1. En el interior contiene botellas de PET (Polietileno tereftalato) geométricamente ordenadas con pequeñas incisiones en las paredes del medio de soporte para permitir el flujo del agua.
Aclimatación de la biomasa
Se vació dentro del reactor biológico aerobio, 50 litros de lodo activado procedente la planta de tratamiento aguas residuales, de la Universidad Autónoma de Querétaro, Campus Aeropuerto ubicado en la Carretera a Chichimequillas, Ejido Bolaños, Querétaro, Qro. C.P. 76140, tal y como se muestra en la Figura 2 y se alimentó con 40 litros de agua residual proveniente de la Facultad de Lenguas y Letras y gastronomía de la misma universidad.
Producción de biopelícula
Estos 90 litros de lodo activado y agua residual fueron vertidos dentro del reactor para la inoculación, producción y fijación de la biomasa, y comenzar el proceso de adhesión y formación de biopelícula el cual se obtuvo después de tres semanas. Después de este tiempo se realizaron diversos estudios fisicoquímicos a la entrada y salida del sistema para determinar la eficiencia del sistema, incrementando gradualmente la concentración de contaminantes del agua residual. Los análisis diarios indicativos arrojaron un remoción de entre el 70 y 85% en los primeros 25 días.
Análisis fisicoquímico
Diariamente durante 30 días después de haber producido biopelícula, se obtenían 60 litros de agua tratada y se le administraban 60 litros de agua residual; para el fortalecimiento genético de los microorganismos se alimentaron diferentes condiciones de agua residual, tal y como se muestra en la Tabla 1. En esta tabla se observan tres análisis de diferentes aguas de influente y a su vez es comparada con la Norma Oficial Mexicana NOM-003-SEMARNAT-1997, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas que se reúsen en servicios al público.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los medios de soporte sumergidos han demostrado ser altamente eficientes en la eliminación de DQO y DBO5 en aguas residuales (Osorio y Hontoria, 2001) y los resultados de este estudio lo comprueban. Este sistema puede ser adaptado a plantas construidas o con poca disposición de terreno (Bassin et al., 2012), incluso aumentar el caudal tratado puesto que se mantiene una concentración alta de sólidos dentro del reactor, y que para este estudio el área de contacto superficial de la biopelícula dentro del reactor fue de 5.74 m2. Uno de los problemas principales de las plantas de tratamiento convencionales es la variación de caudal y calidad del influente y una solución es la implementación de reactores biológicos aerobios por biopelícula (Tóth & Szilágyi, 2013). En la Tabla 2 y Figura 3 se muestran los resultados del análisis fisicoquímico del agua residual en el cual, pasadas 4 horas de tratamiento se logró cumplir con la NOM-003-SEMARNAT-1997, sin embargo pasados 2 horas superaba el 80% de remoción de estos contaminantes.
El material de soporte con plástico PET utilizado en este estudio, fue exitoso para el desarrollo de los microrganismos y fijación de biomasa. En general la biopelícula se fija difícilmente (Battin et al., 2007; Mongenroth y Milferstedt, 2009) a pesar de que existen evidencias científicas sobre la adhesión de biopelícula al Polietileno Tereftalato en las aguas marinas, en las que se obtuvieron resultados satisfactorios y experimentación como medio de soporte para otros tipos de estudios (Hayden et al., 2008; Kishu et al., 2009).
CONCLUSIONES
El sistema biológico aerobio por biopelícula con medio de soporte de botellas de Polietileno Tereftalato, es un sistema simple, fácil de operar, y no necesita grandes espacios para su construcción, el microambiente de la biopelícula ofrece cobijo a muy variadas especies de microorganismos, promoviendo la utilización de una amplia gama de sustratos, soportan variaciones de caudal, entre otras ventajas. Los resultados fisicoquímicos de este sistema en comparación con los límites máximos permisibles establecidos en la Norma Oficial Mexicana NOM-003-SEMARNAT-1997 cumplen en un tiempo promedio de 2.75 horas con un porcentaje de remoción para DQO: 88.86%, BOD5: 92.69%, SST: 96.13%, Grasas y aceites: 96%, Coliformes fecales: 99.99%, de esto se concluye que el sistema es viable, económico y eficiente para el tratamiento de aguas residuales domésticas.
AGRADECIMIENTOS
El primer autor agradece el apoyo al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) por la beca otorgada para desarrollar este estudio, a la Universidad Autónoma de Querétaro por su participación y apoyo al prestar sus instalaciones y equipos y a la Universidad de Ciencias y Artes de Chiapas por el apoyo para concluir esta investigación y aportar ideas para mejoras en el sistema.
Adler I. (1987) Proc. lnt Eur. Congr. on Biotechnology, Vol. 1, p. 1. Amsterdam. The Netherlands.
Atkinson B. (1975). Biochemical Reactors. Pion Press, London.
Bassin JP, KleerebezemR, Rosado AS, Van Loosdrecht MCM, Dezotti M (2012). Effect of different operational conditions on biofilm development, nitrification, and nitrifying microbial population inmoving bed biofilm reactors. Environ Sci Technol 46:1546-1555.
Battin TJ, Sloan WT, Kjelleberg S, Daims H, Head IM, Curtis TP, Eberl L. (2007). Microbial landscapes: new paths to biofilm research. Nat Rev Microbiol 5:76-81.
Castro, F. D., Bassin, J. P., & Dezotti, M. (2016). Treatment of a simulated textile wastewater containing the Reactive Orange 16 azo dye by a combination of ozonation and moving-bed biofilm reactor: evaluating the performance, toxicity, and oxidation by-products. Environmental Science and Pollution Research, 1-10.
Dong B, Chen H, Yang Y, He Q, Dai X (2014). Treatment of printing and dyeing wastewater using MBBR followed by membrane separation process. Desalin Water Treat 52:4562-4567.
Dvořák L, Lederer T, Jirků V, Masák J, Novák L (2014). Removal of aniline, cyanides and diphenylguanidine from industrial wastewater using a full-scale moving bed biofilm reactor. Process Biochem 49: 102-109.
Gu, Q., Sun, T., Wu, G., Li, M., & Qiu, W. (2014). Influence of carrier filling ratio on the performance of moving bed biofilm reactor in treating coking wastewater. Bioresource technology, 166, 72-78.
Hayden K. Webb, Russell J. Crawford, Tomoo Sawabe, and Elena P. Ivanova. (2008). Poly (ethylene terephthalate) Polymer Surfaces as a Substrate for Bacterial Attachment and Biofilm Formation. Microbes and Enviromental, 24, 40-42.
Hibiya K, Nagai J, Tsuneda S, Hirata, A. (2004). Simple prediction of oxygen penetration depth in biofilms for wastewater treatment. Biochem Eng J 19:61-68.
Hu, X. B., Xu, K., Wang, Z., Ding, L. L., & Ren, H. Q. (2013). Characteristics of biofilm attaching to carriers in moving bed biofilm reactor used to treat vitamin C wastewater. 35(5), 283-291.
Jorgensen H, Morkeberg A, Krogh KBR, Olsson L. (2004). Growth and enzyme production by three Penicillium species on monosaccharides. J Biotechnol 109:295-299.
Kishu Phaugat, Manu Bhambi, Renu, C.S. Pundir. (2009). Polyethylene terephthalate membrane as a support for covalent immobilization of uricase and its application in serum urate determination. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymati, 62, 28-30.
McNaught, H., & Wert, E. C. (2015). Evaluation of Chemical and Environmental Methods to Optimize Performance of Fixed Bed Biofilm Reactors to Remove Ozonation By-Products. Ozone: Science & Engineering, 37(3), 227-239.
Mohan SV, Reddy CN, Kumar AN, Modestra JA (2013). Relative performance of biofilm configuration over suspended growth operation on azo dye based wastewater treatment in periodic discontinuous batch mode operation. Bioresour Technol 147:424-433.
Morgenroth E, Milferstedt K. (2009). Biofilm engineering: linking biofilm development at different length and time scales. Rev Environ Sci Biotechnol 21:3203-3208.
Osorio, F., Hontoria, E., (2001). Optimization of bed material height in a submerged biological aerated filter. J. Environ. Eng. 127, 974-978.
Park HO, Oh S, Bade R, Shin WS (2010). Application of A2O moving bed biofilm reactors for textile dyeing wastewater treatment. Korean J Chem Eng 27:893-899.
Remoundaki E, Kousi P, Joulian C, Brunet FB, Hatzikioseyian A, Tsezos M. (2008). Characterization, morphology and composition of biofilm and precipitates from a sulphate-reducing fixed-bed reactor. J Hazard Mater 153:514-524.
Rusten B, Eikebrokk BJ, Ulgenes Y, Lygren E. (2006). Design and operations of the Kaldnes moving bed biofilm reactors. Aquacult Eng 34:322-331.
Tansel B, Sager J, Garland J, Xu SH, Levine L, Bisbee P. (2006). Deposition of extracellular polymeric substances (EPS) and microtopographical changes on membrane surfaces during intermittent filtration conditions. J Membr Sci 285:225-231.
Tóthy Szilágyi, (2013). "Full scale application of an FBAS technology -a case study". 9th International Conference on Biofilm Reactors. Paris, Francia.
Utgikar VP, Harmon SM, Chaudhary N, Tabak HH, Govind R, Haines JR. (2002). Inhibition of sulfate-reducing bacteria by metal sulfide formation in bioremediation of acid mine drainage. Environ Toxicol 17:40-48.
Vendramel, S., Bassin, J. P., Dezotti, M., & Sant'Anna Jr, G. L. (2015). Treatment of petroleum refinery wastewater containing heavily polluting substances in an aerobic submerged fixed-bed reactor. Environmental technology, 36(16), 2052-2059.
Wang XJ, Xia SQ, Chen L, Zhao JF, Renault NJ, Chovelon JM. (2006). Nutrients removal from municipal wastewater by chemical precipitation in a moving bed biofilm reactor. Process Biochem 41:824-828.
Yan DZ, Bai ZH, Gu R, Mike LK, Ren SM, Yang PL. (2009). Biofilm structure and its influence on clogging in drip irrigation emitters distributing reclaimed wastewater. J Environ Sci 21:834-841.
Yang, Z. Z., Yang, Z. M., Cao, J. G., Jia, Y. Y., & Xu, J. X. (2013). Study on the Combination of Fixed Bed and Moving Bed Biofilm Reactor for Papermaking Terminal Wastewater Treatment. In Advanced Materials Research (Vol. 777, pp. 309-313). Trans Tech Publications.
Zhan XM, Michael R, O’Reilly Edmond. (2006). Biofilm growth and characteristics in an alternating pumped sequencing batch biofilm reactor (APSBBR). Water Res 40:817- 825.
ZoBell C. E. (1943). The effect of solid surfaces upon bacterial activity. J. Bact. 46, 39 56.