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1. Introducción
El agua participa en todos los procesos naturales, antropogénicos e industriales que dan sustento a la vida, no obstante, las propiedades que le confieren esa versatilidad, también la proveen de una alta vulnerabilidad. Situación que propicia la generación de aguas residuales, las cuales, tienen implicaciones sociales, económicas y ambientales, siendo estas últimas las que generan una mayor problemática [1]. En este sentido, las afectaciones al ecosistema van desde la contaminación del agua hasta la alteración del ciclo hídrico, pasando por la eutrofización del medio, el traslado y bioacumulación de material tóxico, así como también, la liberación de metano (CH4), el gas de efecto invernadero más contaminante al ambiente, con daños que en su mayoría son imperceptibles hasta que las alteraciones han alcanzado niveles irreversibles [2].
Por consiguiente, es de vital importancia realizar el tratamiento de las aguas residuales garantizando que este sea eficiente y asequible según el entorno que los rodea [3]. La elección de un tratamiento depende de los siguientes factores: naturaleza del agua residual, uso, compatibilidad entre los sistemas de tratamiento, medios disponibles de eliminación de los contaminantes finales; y de los costos de operación [4]. Sin embargo, aun cuando es necesario reintegrar el agua al ciclo natural, el porcentaje de aguas residuales tratadas no es significativo. Tan solo en México, el 63% de las aguas residuales son tratadas [5], si bien es superior a la media, sigue siendo insuficiente. Esto puede deberse principalmente a la falta de recursos económicos y a una ineficiente gestión ambiental [6].
Por tanto, para solventar este problema se debe proponer e integrar en nuestro entorno tecnologías sostenibles, viables, fáciles de operar, y con una aplicación real [7]. Dentro de este campo, resaltan los reactores anaerobios de flujo ascendente; Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) por sus siglas en inglés o Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (RAFA) en español. Estos son reactores multifase, en los cuales los microorganismos degradan los compuestos orgánicos del agua y generan biogás de forma eficiente sin ocupar grandes cantidades de espacio [8].
Asimismo, para garantizar la gestión integral del agua, el efluente tratado puede ser empleado para el riego agrícola, actividad en la que los nutrientes aún presentes en el agua pueden ser asimilados propiciando el desarrollo del cultivo y reintegrándolos a sus ciclos naturales [9: 10]. Por lo anterior, la presente investigación, tiene como objetivo evaluar las condiciones óptimas de operación de un reactor anaerobio a nivel laboratorio para la producción de biogás y el tratamiento de aguas residuales de una institución académica, desde un enfoque sostenible.
2. Materiales y equipos
Se utilizó un reactor UASB (Fig. 1) que consiste en una columna de cristal de 53 cm de altura y 7.5 cm de diámetro interno con un volumen total de 2.5 L y volumen útil de 2.3 L. La determinación de las condiciones hidráulicas, se realizó con base en la literatura [11], por lo que se establecieron las siguientes cargas volumétricas: 4, 8, 12, 16 y 20 g DQO/L*día, además de los siguientes TRH: 2.64, 1.32, 0.88, 0.66 y 0.53 horas. Se operó el experimento a una temperatura de operación del experimento fue a una temperatura de 35 ºC para asegurar condiciones mesofílicas del proceso.
Se empleó una bomba peristáltica de velocidad variable (6-600 rpm) de la marca Masterflex para alimentar y recircular el reactor. Se instaló un separador trifásico gas-sólido-líquido en la parte superior del reactor para la captación del biogás. Para garantizar la pureza del metano, se colocó un dispositivo mariotte flask que contenía una solución de 4 N de NaOH.
3. Métodos experimentales
El efluente empleado, se obtuvo de un reactor UASB instalado en una facultad de una universidad, el cual recibe aguas residuales generadas de los baños y cafetería principalmente. La toma de muestra fue en epoca de estiaje. El reactor UASB se inoculo con 250 mL de lodo granular proveniente de una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR), la cual capta una mezcla de aguas residuales urbanas, industriales, tales como: industria cervecera, papel, producción de medicamentos, químicos, acero, petroquímica y otras.
3.1. Eficiencia de remoción de los contaminantes
Para determinar la Demanda Química de Oxígeno (DQO), se tomó como referencia la NMX-AA-030-SCFI-2012, utilizando dicromato de potasio como oxidante. Posterior a ello, se determinaron los sólidos suspendidos totales (SST), volátiles (SSV) y fijos (SSF) de acuerdo a la NMX-AA-034-SCFI-2015.
3.2. Estimación del porcentaje de metano presente en el biogás
Para estimar la cantidad de biogás, se colocó un dispositivo mariotte flask en la parte superior del reactor, que contenía una solución 4 N de NaOH [12]. Una vez obtenidos los resultados se calculó el porcentaje de metano contenido en el biogás, el cual se comparó con los márgenes establecidos por Varnero (2011) [13] para un biogás aprovechable.
3.3. Evaluación del potencial del agua tratada para riego agrícola
Se evaluó el porcentaje de germinación del rábano (Raphanus sativus), para ello, se sembraron semillas en tres contenedores plásticos (5 semillas por contenedor), a una profundidad de 5 cm, con un riego cada dos días durante un mes. Así mismo, la tasa de crecimiento de la azalea (Rhododendron simsii) y la menta (Mentha × piperita) regada con este efluente por seis meses, lo anterior fue realizado por triplicado (Fig. 2).
La frecuencia de riego fue diaria con 250 mL de agua tratada. Para los controles se usó agua del suministro público. Adicionalmente, se realizaron pruebas porcentuales de germinación.
4. Discusión de Resultados
4.1. Eficiencia de remoción de la materia orgánica
Para determinar la eficiencia de remoción de la materia orgánica en el reactor UASB durante el tratamiento de aguas residuales, se procedió a realizar un análisis del pH y de la DQO postratamiento [Tabla 1].
Tabla 1 Determinación del pH y la DQO, después del tratamiento biológico.
| Carga volumétrica [g DQO/L*día] | pH | DQO [mg/L] | Remoción DQO [%] |
|---|---|---|---|
| 4 | 5.94 ± 0.66 | 12.28 ± 2.44 | 97.21 |
| 8 | 5.80 ± 0.46 | 46.33 ± 1.84 | 89.46 |
| 12 | 5.77 ± 0.65 | 134.11 ± 10.63 | 69.49 |
| 16 | 5.87 ± 0.05 | 145.75 ± 16.30 | 67.06 |
| 20 | 7.05 ± 0.31 | 126.13 ± 1.84 | 71.30 |
4.1.1 pH
El primer parámetro evaluado fue el pH, para lograr un adecuado funcionamiento de los sistemas biológicos es indispensable generar las condiciones ambientales favorables de pH para el desarrollo y crecimiento de la biomasa [14]. Al inicio del experimento, se obtuvo un valor de pH de 7.46 ± 0.62 resultados dentro del rango esperado [4]. En las aguas residuales, el pH se encuentra entre 6.5-8.5, rango que aún favorece el sustento de la vida [15].
Por su parte, el efluente tratado mantuvo un pH de entre 5.77 y 5.94, lo que demuestra una ligera acidificación del medio; de acuerdo con Cajigas (2005) [14] todos los procesos de potabilización o depuración propician la disminución del pH y no representa ningún problema mientras permanezcan dentro de los limites inhibidores del crecimiento biológico (5<pH<9.2).
De ahí que, en la mayoría las muestras se observa una ligera tendencia hacía la acidificación del medio, excepto en la carga volumétrica (CVA) de 20 g de DQO/L*día; esto puede deberse a que el efluente se mantuvo durante un tiempo reducido a su paso por el reactor y posiblemente no se logró completar la degradación metabólica por parte de los microorganismos anaerobios [16].
4.1.2 Demanda química de oxígeno (DQO)
La caracterización inicial de la DQO del agua colectada (439.5 ± 6.56 mg/L), se puede clasificar en un rango medio-bajo para aguas residual de tipo doméstico y similares [15]. De acuerdo, con Orozco (2014) [17] esta concentración es idónea porque se encuentra por encima del rango limitante para los reactores UASB (<250 mg/L de DQO).
En la Tabla 1, se observa que la DQO disminuye conforme la carga volumétrica (CVA) aplicada es menor, esto se debe a que una CVA reducida permite tiempos de retención hidráulica prolongados, en los cuales los microorganismos presentes en el reactor pueden descomponer la materia orgánica existente de manera más eficiente [18]. Pese a ello, cabe destacar que en todas las cargas volumétricas empleadas se redujo la carga orgánica hasta cumplir con los límites máximos permisibles que establece la norma NOM-001-SEMARNAT-2021 para ser vertida en ríos, arroyos, canales, o usarse para el riego agrícola.
De acuerdo con Torres (2012) [11], las condiciones ambientales tropicales y subtropicales de Latinoamérica permiten en este tipo de reactores remociones del 80% en DQO sin necesidad de adicionar calor al reactor. Durante el experimento, se observó este comportamiento en las dos cargas más bajas (4 y 8 g DQO/L*día), aunque en casi todos los casos se superó el 70% de remoción, lo que concuerda con los porcentajes de remoción alcanzados, bajo condiciones similares, por [17].
En general, los reactores UASB son sistemas recomendados para el tratamiento de aguas residuales con alta carga de materia orgánica, debido a que tienen eficiencias de remoción de DQO superiores al 90% con velocidades de carga orgánica de hasta 20 g DQO/L*d [18]. En este estudio, los porcentajes de DQO removida, en las dos cargas volumétricas más bajas, demuestran la eficiencia del proceso para la depuración de aguas residuales de origen universitario o similares [11]. Aunque para evitar la acidificación del medio, baja granulación en el lodo residual y, en consecuencia, el mal funcionamiento del reactor, se recomienda una concentración inicial de al menos 250 mg/L [17].
4.1.3 Sólidos suspendidos
Los sólidos suspendidos totales son los principales formadores de lodos residuales; la concentración de estos sólidos en aguas residuales domésticas oscila entre 100 y 350 mg/L [15]. Adicionalmente, estos están fuertemente ligados a la producción de biogás porque representan la biomasa. Los resultados de los sólidos suspendidos totales (SST), volátiles (SSV) y fijos (SSF) del agua residual previa al tratamiento fueron 342.81 ± 2.48 mg/L, 229.21 ± 1.17 mg/L y 112.89 ± 3.02 mg/L, respectivamente. En la Tabla 2, se muestran el promedio de las concentraciones postratamiento y su equivalente en porcentaje de remoción.
Tabla 2 Porcentaje de remoción de los sólidos suspendidos.
| Carga volumétrica [g DQO/L*día] | SST | SSV | SSF | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| [mg/L] | Remoción [%] | [mg/L] | Remoción [%] | [mg/L] | Remoción [%] | |
| 4 | 24.44 | 92.87 | 13.33 | 94.18 | 11.11 | 90.16 |
| 8 | 81.11 | 76.34 | 60.00 | 73.82 | 21.11 | 81.30 |
| 12 | 134.44 | 60.78 | 80.00 | 65.10 | 54.44 | 51.77 |
| 16 | 115.56 | 66.29 | 106.67 | 53.46 | 8.89 | 92.13 |
| 20 | 155.56 | 54.62 | 83.33 | 63.64 | 72.22 | 36.02 |
Como se puede observar, existe una relación inversa entre la carga volumétrica y porcentajes de remoción los sólidos suspendidos, como se observó con la DQO. De acuerdo con lo establecido por la NOM-001-SEMARNAT-2021 los resultados obtenidos en las cargas volumétricas de 4 y 8 g DQO/L*día permiten que el agua residual tratada pueda ser vertida en aguas nacionales, sin embargo, las cargas de 12, 16 y 20 g de DQO/L*día exceden el límite máximo permisible (84 mg/L) para su vertimiento; aunque todas las cargas pueden ser empleadas para riego agrícola.
4.2. Estimación del porcentaje de metano presente en el biogás
Los reactores UASB, destacan no solo por su buen índice de remoción de contaminantes y diseño compacto, sino también por la generación de biogás [19]. En la Tabla 3 se muestra la captación de biogás total y metano para cada carga volumétrica.
Tabla 3 Producción de biogás y metano.
| Carga volumétrica [g DQO/L*día] | Biogás [mL] | Metano [mL] | Metano en biogás [%] |
|---|---|---|---|
| 4 | 115.33 ± 7.37 | 45.00 ± 2.65 | 39.02 |
| 8 | 114.33 ± 3.78 | 38.67 ± 1.53 | 33.82 |
| 12 | 67.00 ± 10.58 | 27.33 ± 4.16 | 40.79 |
| 16 | 52.33 ± 4.50 | 23.00 ± 2.00 | 43.95 |
| 20 | 37.67 ± 2.30 | 18.33 ± 1.15 | 48.66 |
Se observa una producción de biogás y metano inversamente proporcional a las cargas volumétricas; esto se debe al tiempo de retención hidráulica, ya que al disminuir el tiempo del influente en el reactor disminuye la producción de biogás, tal como lo describieron Arango y Sanches (2009) [18].
Sin embargo, se observó un aumento en el porcentaje de metano en el biogás a medida que la producción de biogás fue disminuyendo. De igual manera, se observa que en ninguna carga volumétrica se superó el 50% de metano en el biogás. No obstante, de acuerdo con Varnero (2011) [13], para que un biogás sea inflamable y aprovechable debe superar el 45% de metano en su composición, dato obtenido únicamente en la carga de 20 g de DQO/L*día.
En estudios similares, se han alcanzado porcentajes de metano de hasta el 82.4% [20]. Estas disparidades se atribuyen a la baja concentración inicial de la DQO (439.5 ± 6.56 mg/L), así como al volumen del reactor (2.3 L de volumen útil), ya que, de acuerdo con Orozco (2014) [17] este tipo de reactores tiende a disminuir su eficiencia, tanto de remoción como de obtención de biogás, cuando la concentración de DQO es baja.
Así también, es posible que los microorganismos emplearan la materia orgánica para la producción de biomasa en vez de la generación de biogás, tal como se muestra en la Tabla 4. Esto se debe a la alta disponibilidad de nitrógeno y fósforo, ya que los procesos de digestión anaerobia se caracterizan por su baja necesidad de estos nutrientes, sin embargo, al estar disponibles se emplean para la síntesis de nueva biomasa [13].
Tabla 4 Distribución de la DQO removida.
| Carga volumétrica [g DQO/L*día] | DQO removida [mg/L] | DQO empleada para CH4 | DQO empleada para biomasa | ||
|---|---|---|---|---|---|
| [mg/L] | [%] | [mg/L] | [%] | ||
| 4 | 427.22 | 135.15 | 31.63 | 292.08 | 68.37 |
| 8 | 393.17 | 123.59 | 31.43 | 269.58 | 68.57 |
| 12 | 305.39 | 83.58 | 27.37 | 221.81 | 72.63 |
| 16 | 294.75 | 75.58 | 25.64 | 219.17 | 74.36 |
| 20 | 313.37 | 71.13 | 22.70 | 242.24 | 77.30 |
4.3. Evaluación del potencial del agua tratada para riego agrícola
Los reactores UASB pueden ser eficientes en la remoción de materia orgánica y sólidos, pero no de nutrientes como el nitrógeno o fósforo [20]. Con base en ello, una opción sostenible para la reintegración de estos nutrientes a los ciclos biogeoquímicos es el empleo de este tipo de efluentes en el riego de agrícola [21].
4.3.1 Porcentaje de germinación
Las semillas de rábano regadas con agua proveniente del suministro público obtuvieron entre el 50 y 60% de germinación mientras que las hortalizas con riego de agua residual germinaron entre un 70 y 80 % (Fig. 3)
Los porcentajes de germinación obtenidos se encuentran por debajo de los rangos que establecen las distribuidoras de semillas, los cuales oscilan entre 95 y 98 %, estos porcentajes de germinación se alcanzan en condiciones controladas en incubación [22]. Sin embargo, Hernández (2020) [23] obtuvo un resultado de 70% en la germinación de rábano utilizando agua residual como agente de riego, este dato concuerda con los resultados obtenidos en este estudio.
4.3.2. Tasa de crecimiento
Se evaluó la tasa de crecimiento de la azalea (Rhododendron sp.) y de la menta (Mentha sp.), los resultados se muestran en la Tabla 6.
Tabla 5 Tasa de crecimiento de azalea y menta.
| Cultivos | Tasa de crecimiento | |
|---|---|---|
| Agua tratada [cm/día] | Agua suministro público [cm/día] | |
| Azalea | 0.12 ± 0.02 | 0.09 ± 0.03 |
| Menta | 0.33 ± 0.02 | 0.28 ± 0.01 |
La azalea es un arbusto de flores del género Rhododendron, son plantas perennes de lento crecimiento que cambian constantemente sus flores. De acuerdo con Shaughnessy (2019) [24] la tasa de crecimiento promedio de la azalea es de 0.07 cm/día, los resultados obtenidos tanto para el control como la regada con agua tratada superan ligeramente este rango.
El aumento del 13.33%, en la tasa de crecimiento para la azalea regada con agua tratada es un indicador indirecto de la presencia de nitrógeno y fósforo [25].
Cabe mencionar que el tamaño promedio de las hojas durante el experimento se mantuvo dentro del parámetro normal y la floración no presento anomalías por lo que pueden ser aprovechadas para el comercio de plantas de ornato o la extracción de grayatoxina [24].
Por su parte, la menta que es una planta herbácea perenne y aromática tiene una tasa de crecimiento de entre 0.16 y 0.33 cm/día (ver Fig. 5).
Los resultados obtenidos se encuentran dentro del rango antes mencionado. Adicionalmente, la talla promedio de las hojas, en ambos casos, se encuentra dentro del rango aprovechable para su consumo o para la obtención de mentol [26].
En ambos casos, con menta y azalea, se demostró un aumento numérico en la tasa de crecimiento, esto puede deberse a la asimilación de los nutrientes no removidos en el proceso de tratamiento [27]. Emplear aguas residuales o tratadas para el riego sigue siendo un tópico por debatir, sin embargo, Orozco (2014) [17] indica que mientras el efluente cumpla con las características mínimas requeridas según la normatividad de cada país este puede ser empleado para el riego en el cultivo de productos comestibles.
5. Conclusiones
Los reactores anaerobios tipo UASB operados con cargas volumétricas de 4 a 20 g de DQO/L*día remueven más del 70% materia orgánica. Lo que permite cumplir con los límites máximos permisibles que establece el marco legal en México; tanto de DQO como de sólidos suspendidos. Se encontró, que el aumento de la carga volumétrica limita ligeramente la remoción de los contaminantes antes mencionados, por lo cual se recomienda emplearlo con cargas menores o bien dentro del rango de 4 y 8 g de DQO/L*día para alcanzar remociones de hasta el 98%.
La generación de biogás y metano fue afectada por una actividad microbiana limitada, producto de un bajo tiempo de adaptación en cada carga, lo que propició que los microorganismos se enfocaran más en la producción de biomasa que en la generación de gas metano. Esto dio como resultado una generación mínima de biogás con porcentajes de metano que limitan su uso. Por tanto, se recomienda controlar los tiempos de estabilización después cada cambio de carga volumétrica y realizar mayores estudios que consideren mantener el control de la actividad microbiana.
El aumento en la tasa de crecimiento de la azalea (Rhododendron simsii) y la menta (Mentha x piperita) demostró la presencia de nutrientes disueltos no removidos del agua residual universitaria postratamiento por el reactor anaerobio tipo UASB, lo que a su vez confirmó que el fitotratamiento puede ser una alternativa eficiente y ecológica para aprovechar los nutrientes excedentes, puesto que los reintegran a los ciclos biogeoquímicos por medio de su asimilación.
Para el tratamiento de aguas residuales de origen universitario, el reactor anaerobio de flujo ascendente demostró ser una tecnología simple, eficiente y recomendable. Lo anterior, se debe a que se obtienen altos porcentajes de remoción de materia orgánica y con potencial en la generación de biogás.
