Granulación aeróbica

El tratamiento biológico de aguas residuales en las plantas depuradoras se realiza a menudo mediante sistemas convencionales de lodos activados . Estos sistemas generalmente requieren grandes superficies para las unidades de tratamiento y separación de biomasa debido a las deficientes propiedades de sedimentación del lodo . Los gránulos aerobios son un tipo de lodo que puede autoinmovilizar flóculos y microorganismos en estructuras esféricas, compactas y resistentes. Las ventajas del lodo granular aerobio son su excelente sedimentabilidad, alta retención de biomasa, eliminación simultánea de nutrientes y tolerancia a la toxicidad. Estudios recientes demuestran que el tratamiento con lodo granular aerobio podría ser un método potencialmente eficaz para tratar aguas residuales con alta concentración de nutrientes y sustancias tóxicas.

El lodo granular aerobio se cultiva habitualmente en un reactor discontinuo secuencial (SBR ) y se aplica con éxito en el tratamiento de aguas residuales de alta concentración, aguas residuales tóxicas y aguas residuales domésticas. En comparación con los procesos aerobios granulares convencionales para la eliminación de DQO, la investigación actual se centra más en la eliminación simultánea de nutrientes, en particular DQO, fósforo y nitrógeno , en condiciones de presión, como alta salinidad o condiciones termófilas .

En los últimos años se han desarrollado nuevas tecnologías para mejorar la sedimentabilidad. El uso de la tecnología de lodos granulares aerobios es una de ellas.

Los defensores de la tecnología de lodos granulares aerobios afirman que "desempeñará un papel importante como una tecnología innovadora alternativa al actual proceso de lodos activados en el tratamiento de aguas residuales industriales y municipales en un futuro próximo" ^{[ 1 ]} y que "puede establecerse fácilmente y utilizarse de forma rentable en plantas de lodos activados" ^{[ 2 ]} . Sin embargo, en 2011 se la caracterizó como "aún no establecida como una aplicación a gran escala... con aplicaciones a gran escala limitadas y no publicadas para el tratamiento de aguas residuales municipales" ^{[ 3 ].}

La siguiente definición diferencia un gránulo aerobio de un flóculo simple con propiedades de sedimentación relativamente buenas y surgió de las discusiones que tuvieron lugar en el 1er Taller IWA sobre Lodos Granulares Aerobios en Múnich (2004): ^{[ 2 ]}

Los gránulos que componen el lodo activado granular aerobio deben entenderse como agregados de origen microbiano, que no se coagulan bajo una tensión de cizallamiento hidrodinámica reducida y que se sedimentan significativamente más rápido que los flóculos de lodo activado.

La biomasa de lodos granulares se desarrolla en reactores discontinuos secuenciales (SBR) y sin materiales de soporte. Estos sistemas cumplen la mayoría de los requisitos para su formación, tales como:

Régimen de abundancia-escasez: se deben seleccionar períodos cortos de alimentación para crear períodos de abundancia y escasez (Beun et al. 1999 ^{[ 5 ]} ), caracterizados por la presencia o ausencia de materia orgánica en el medio líquido, respectivamente. Con esta estrategia de alimentación se logra la selección de los microorganismos apropiados para formar gránulos. Cuando la concentración de sustrato en el líquido a granel es alta, los organismos formadores de gránulos pueden almacenar la materia orgánica en forma de poli- β -hidroxibutirato para ser consumida en el período de escasez, lo que les da una ventaja sobre los organismos filamentosos. Cuando se aplica una alimentación anaeróbica, este factor se potencia, minimizando la importancia del corto tiempo de sedimentación y las mayores fuerzas hidrodinámicas.

Tiempo de sedimentación corto: Esta presión de selección hidráulica sobre la comunidad microbiana permite la retención de biomasa granular dentro del reactor, mientras que la biomasa floculenta se elimina mediante lavado. (Qin et al. 2004 ^{[ 6 ]} )

Fuerza de corte hidrodinámica : Las evidencias muestran que la aplicación de altas fuerzas de corte favorece la formación de gránulos aerobios y la integridad física de los gránulos. Se encontró que los gránulos aerobios podían formarse solo por encima de un valor umbral de fuerza de corte en términos de velocidad superficial de flujo de aire ascendente por encima de 1,2  cm/s en una columna SBR, y se desarrollaron gránulos aerobios más regulares, redondos y compactos a altas fuerzas de corte hidrodinámicas (Tay et al., 2001 ^{[ 7 ]} ).

El lodo activado granular también se desarrolla en reactores de flujo continuo mediante el proceso de lodo activado híbrido (HYBACS) ^{[ 8 ]} , que comprende un reactor de crecimiento adherido con un tiempo de retención corto aguas arriba de un reactor de crecimiento en suspensión. Las bacterias adheridas en el primer reactor, conocido como unidad SMART, están expuestas a una DQO alta y constante, lo que desencadena la expresión de altas concentraciones de enzimas hidrolíticas en la capa de EPS que rodea a las bacterias. La hidrólisis acelerada libera DQO soluble y fácilmente degradable, lo que promueve la formación de lodo activado granular.

Se está estudiando el desarrollo de biomasa en forma de gránulos aerobios para su aplicación en la eliminación de materia orgánica , compuestos de nitrógeno y fósforo de las aguas residuales. Los gránulos aerobios en un reactor discontinuo secuencial aerobio (SBR) presentan varias ventajas en comparación con el proceso convencional de lodos activados, tales como:

Estabilidad y flexibilidad: el sistema SBR se puede adaptar a condiciones fluctuantes y tiene la capacidad de soportar impactos y cargas tóxicas.

Bajos requisitos energéticos: el proceso de lodos granulares aerobios tiene una mayor eficiencia de aireación debido a que opera a mayor altura, mientras que no hay corrientes de recirculación de lodos o nitratos ni requisitos de mezcla y propulsión.

Menor huella ambiental: El aumento en la concentración de biomasa que es posible gracias a la alta velocidad de sedimentación de los gránulos de lodo aerobio y la ausencia de un sedimentador final dan como resultado una reducción significativa de la huella ambiental requerida.

Buena retención de biomasa: se pueden alcanzar concentraciones de biomasa más elevadas dentro del reactor y tratar mayores tasas de carga de sustrato.

Presencia de zonas aeróbicas y anóxicas dentro de los gránulos: para realizar simultáneamente diferentes procesos biológicos en el mismo sistema (Beun et al. 1999 ^{[ 5 ]} ).

Reducción de los costes de inversión y operación: el coste de funcionamiento de una planta de tratamiento de aguas residuales que trabaja con lodos granulares aerobios puede reducirse en al menos un 20 % y los requisitos de espacio pueden reducirse hasta en un 75 % (de Kreuk et al., 2004 ^{[ 9 ]} ).

El proceso HYBACS tiene la ventaja adicional de ser un proceso de flujo continuo, evitando así las complejidades de los sistemas SBR. También se puede aplicar fácilmente a la mejora de los procesos de lodos activados de flujo continuo existentes, mediante la instalación de los reactores de crecimiento acoplados aguas arriba del tanque de aireación. La mejora al proceso de lodos activados granulares permite duplicar la capacidad de una planta de tratamiento de aguas residuales existente. ^{[ 10 ]}

En la mayoría de los trabajos realizados con gránulos aerobios se utilizó agua residual sintética. Estos trabajos se centraron principalmente en el estudio de la formación, la estabilidad y la eficiencia de eliminación de nutrientes de los gránulos bajo diferentes condiciones operativas, así como en su potencial uso para eliminar compuestos tóxicos. El potencial de esta tecnología para el tratamiento de aguas residuales industriales se encuentra en estudio; algunos de los resultados son:

• Arrojo et al. (2004) ^{[ 11 ]} operaron dos reactores alimentados con aguas residuales industriales producidas en un laboratorio para el análisis de productos lácteos ( DQO  total : 1500–3000  mg/L; DQO soluble: 300–1500  mg/L; nitrógeno total: 50–200  mg/L). Estos autores aplicaron tasas de carga orgánica y de nitrógeno de hasta 7 g DQO/(L·d) y 0,7 g N/(L·d), obteniendo eficiencias de remoción del 80 %.
• Schwarzenbeck et al. (2004) ^{[ 12 ]} trataron aguas residuales de malteado que tenían un alto contenido de materia orgánica particulada (0,9 g SST/L). Encontraron que las partículas con diámetros promedio inferiores a 25–50  μm se eliminaron con una eficiencia del 80%, mientras que las partículas mayores de 50  μm solo se eliminaron con una eficiencia del 40%. Estos autores observaron que la capacidad del lodo granular aerobio para eliminar la materia orgánica particulada de las aguas residuales se debía tanto a la incorporación a la matriz del biofilm como a la actividad metabólica de la población de protozoos que cubría la superficie de los gránulos.
• Cassidy y Belia (2005) ^{[ 13 ]} obtuvieron eficiencias de remoción para DQO y P del 98% y para N y VSS superiores al 97% operando un reactor granular alimentado con aguas residuales de matadero (DQO total: 7685  mg/L; DQO soluble: 5163  mg/L; TKN : 1057  mg/L y VSS: 1520  mg/L). Para obtener estos altos porcentajes de remoción, operaron el reactor a un nivel de saturación de DO del 40%, que es el valor óptimo predicho por Beun et al. (2001) para la remoción de N, y con un período de alimentación anaeróbica que ayudó a mantener la estabilidad de los gránulos cuando la concentración de DO era limitada.
• Inizan et al. (2005) ^{[ 14 ]} trataron aguas residuales industriales de la industria farmacéutica y observaron que los sólidos suspendidos en las aguas residuales de entrada no se eliminaron en el reactor.
• Tsuneda et al. (2006), ^{[ 15 ]} al tratar aguas residuales del proceso de refinería de metales (1,0–1,5 g NH ₄ ⁺ -N/L y hasta 22 g/L de sulfato de sodio), eliminaron una tasa de carga de nitrógeno de 1,0  kg-N/m ³ ·d con una eficiencia del 95% en un sistema que contenía gránulos autotróficos.
• Usmani et al. (2008) ^{[ 16 ]} una alta velocidad superficial del aire, un tiempo de sedimentación relativamente corto de 5 a 30 min, una alta relación de altura a diámetro (H/D=20) del reactor y una carga orgánica óptima facilitan el cultivo de gránulos regulares, compactos y circulares.
• Figueroa et al. (2008), ^{[ 17 ]} trataron aguas residuales de una industria de conservas de pescado. Las OLR aplicadas fueron de hasta 1,72  kg DQO/(m ³ ·d) con agotamiento total de la materia orgánica. El nitrógeno amoniacal se eliminó mediante nitrificación-desnitrificación hasta un 40% cuando las tasas de carga de nitrógeno fueron de 0,18  kg N/(m ³ ·d). La formación de gránulos aerobios maduros ocurrió después de 75 días de operación con 3,4  mm de diámetro, SVI de 30 mL/g VSS y densidad de alrededor de 60 g VSS/L-gránulo.
• Farooqi et al. (2008), ^{[ 18 ]} Las aguas residuales de la refinación de combustibles fósiles, productos farmacéuticos y pesticidas son las principales fuentes de compuestos fenólicos. Aquellos con estructuras más complejas suelen ser más tóxicos que el fenol simple . Este estudio tuvo como objetivo evaluar la eficacia del lodo granular en UASB y SBR para el tratamiento de mezclas de compuestos fenólicos. Los resultados indican que el tratamiento anaeróbico por UASB y el tratamiento aeróbico por SBR pueden utilizarse con éxito para la mezcla de fenol/ cresol , representativa de los principales sustratos en aguas residuales químicas y petroquímicas y los resultados muestran que un período de aclimatación adecuado es esencial para la degradación de m-cresol y fenol. Además, se encontró que el SBR es una mejor alternativa que el reactor UASB, ya que es más eficiente y puede degradar con éxito una mayor concentración de m-cresoles.
• López-Palau et al. (2009), ^{[ 19 ]} trataron aguas residuales de una industria vitivinícola. La formación de gránulos se realizó utilizando un sustrato sintético y, después de 120 días de operación, el medio sintético fue reemplazado por aguas residuales reales de bodega, con una carga de DQO de 6  kg DQO/(m ³ ·d).
• Dobbeleers "et al." (2017), ^{[ 20 ]} trataron aguas residuales de la industria de la papa. Se logró la granulación con éxito y fue posible la nitrificación/desnitrificación simultánea acortando el ciclo del nitrógeno .
• Caluwé "et al." (2017), ^{[ 21 ]} Compararon una estrategia de abundancia/escasez aeróbica y una estrategia de abundancia anaeróbica y escasez aeróbica para la formación de lodos granulares aeróbicos durante el tratamiento de aguas residuales petroquímicas industriales. Ambas estrategias fueron exitosas.

La tecnología de granulación aeróbica para su aplicación en el tratamiento de aguas residuales está ampliamente desarrollada a escala de laboratorio. La experiencia a gran escala está creciendo rápidamente y múltiples instituciones están realizando esfuerzos para mejorar esta tecnología:

• Desde 1999, Royal HaskoningDHV (antigua DHV Water), la Universidad Tecnológica de Delft (TUD), STW (Fundación Neerlandesa para la Tecnología Aplicada) y STOWA (Fundación Neerlandesa para la Investigación Aplicada del Agua) han colaborado estrechamente en el desarrollo de la tecnología de lodos granulares aerobios ( Nereda ). En septiembre de 2003, se llevó a cabo una primera investigación piloto exhaustiva en la planta de tratamiento de aguas residuales de Ede, Países Bajos, con el objetivo de lograr una granulación estable y la eliminación biológica de nutrientes. Tras los resultados positivos, junto con seis juntas de agua neerlandesas, las partes decidieron establecer una asociación público-privada (PPP), el Programa Nacional de Investigación Nereda (NNOP) , para perfeccionar, ampliar e implementar varias unidades a gran escala. Como parte de esta PPP, se realizaron extensas pruebas piloto entre 2003 y 2010 en múltiples plantas de tratamiento de aguas residuales. Actualmente, más de 20 plantas están en funcionamiento o en construcción en tres continentes.
• Partiendo del lodo granular aerobio, pero utilizando un sistema de contención para los gránulos, el IRSA (Istituto di Ricerca Sulle Acque, Italia) desarrolló un biorreactor granular de biofiltración discontinua secuencial (SBBGR) con un volumen de 3,1 ^m³ . En esta planta se realizaron diversos estudios para el tratamiento de aguas residuales en una depuradora italiana.
• El uso de gránulos aerobios preparados en laboratorio, como cultivo iniciador antes de su incorporación al sistema principal, constituye la base de la tecnología ARGUS ( Sistema de mejora de gránulos aerobios ) desarrollada por EcoEngineering Ltd. Los gránulos se cultivan in situ en pequeños biorreactores denominados propagadores y ocupan tan solo entre el 2 y el 3 % de la capacidad del biorreactor principal o fermentador (digestor). Este sistema se está utilizando en una planta piloto de 2,7 m³ ^ubicada en una industria farmacéutica húngara.
• El Grupo de Ingeniería Ambiental y Bioprocesos de la Universidad de Santiago de Compostela está operando actualmente un reactor piloto de 100 litros.

El estudio de viabilidad mostró que la tecnología de lodos granulares aerobios parece muy prometedora (de Bruin et al., 2004. ^{[ 22 ]} Con base en los costos anuales totales, un GSBR ( reactores discontinuos secuenciales de lodos granulares ) con pretratamiento y un GSBR con postratamiento resulta ser más atractivo que las alternativas de referencia de lodos activados (6–16%). Un análisis de sensibilidad muestra que la tecnología GSBR es menos sensible al precio del terreno y más sensible al flujo de agua de lluvia. Debido a la alta carga volumétrica permitida, la huella de las variantes GSBR es solo el 25% en comparación con las referencias. Sin embargo, el GSBR con solo tratamiento primario no puede cumplir con los estándares de efluentes actuales para aguas residuales municipales, principalmente debido a que excede el estándar de efluentes de sólidos suspendidos causado por el lavado de biomasa no bien sedimentable.

La tecnología de granulación aeróbica ya se aplica con éxito para el tratamiento de aguas residuales.

• Desde 2005, RoyalHaskoningDHV ha implementado más de 100 sistemas de tratamiento de aguas residuales industriales y municipales a gran escala (Nereda) en cinco continentes. Un ejemplo es la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de Epe, en los Países Bajos, con una capacidad de 59 000 habitantes equivalentes y 1500 m³·h⁻¹, siendo la primera planta municipal Nereda a gran escala en los Países Bajos. Ejemplos de las plantas de tratamiento de aguas residuales Nereda más recientes (2012-2013) incluyen Wemmershoek (Sudáfrica), Dinxperlo, Vroomshoop y Garmerwolde (Países Bajos).

• EcoEngineering aplicó el proceso de granulación aeróbica en tres industrias farmacéuticas: Krka dd Novo mesto (Eslovenia), Lek dd Lendava (Eslovenia) y Gedeon Richter Rt. Dorog (Hungría). Las plantas de tratamiento de aguas residuales llevan funcionando más de cinco años.

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