Resumen

Wastewater treatment plants face important challenges as they must comply with increasingly stringent legislation to protect the environment and human health. Currently, the activated sludge (AS) system is the most widely used biological process in the world due to its easy installation and low cost. However, this system fails to efficiently remove the pollutant loads discharged into wastewater. The aerobic granular sludge (AGS) system is a novel biological process based on a mixed microbial community able to simultaneously remove high loads of organic matter, nitrogen, and phosphorus. This system possesses the potential to improve the efficiency of hydraulic retention time (HRT), settling time of biomass, and volume of treated wastewater, which makes it an attractive alternative for improving wastewater treatment. Therefore, a study based on a 2k fractional factorial design was conducted to identify the best-operating conditions of an AGS and AS system to achieve the highest possible removal performance in compliance with the new NOM-001-SEMARNAT-2021. In addition, the formation and settling capacity of the AGS system was evaluated in a sequential batch reactor (SBR) at bench scale. The simultaneous removal of chemical oxygen demand (COD), total kjeldahl nitrogen (TKN), and total phosphorus (TP) from mixed wastewater from industrial and municipal origin were also analyzed. The focus was on the development and evolution of the AGS, their morphology, stability, and removal performance compared to the AS system through continuous experiments divided into seven stages. After 18 days of operation, mature granules were identified, and after 25 days, an AGS system in stable conditions was obtained. Until day 48 (stage III), no relevant changes in the shape and stability of aerobic granules were observed. During this stage, high removal efficiencies of COD (97.7%) and TKN (86.2%) were obtained. In addition, sedimentation capacity was improved by an SVI of 65±6.7 mL/g-TSS. From stage IV to the end of the experiment, partial disintegration and rupture occurred in AGS. In particular, two key factors to drive the compactness and the structural integrity of AGS were identified: (1) VER≥ 67%; and (2) AR≤2.5 L/min. Principal component analysis (PCA) and two-way ANOVA analysis substantiated the experimental found results.

Keywords: AGS-SBR system, real mixed wastewater, influential operating parameters, removal efficiency, stability, settling capacity.

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Las plantas de tratamiento de aguas residuales (AR) enfrentan importantes retos, ya que deben cumplir con la legislación vigente cada vez más estricta con el fin de cuidar el medio ambiente y la salud humana. Actualmente el sistema de lodos activados (AS) es el proceso biológico más utilizado del mundo por su fácil instalación y bajo costo. Sin embargo, no remueve de manera eficiente las cargas contaminantes que actualmente descargan las AR. El sistema de lodos granulares aerobios (AGS) es un proceso biológico novedoso basado en una comunidad microbiana mixta capaz de remover de manera simultánea altas cargas de materia orgánica, nitrógeno (N) y fósforo (P). Este sistema tiene el potencial de hacer más eficientes los tiempos de retención hidráulica (TRH), tiempos de sedimentación de biomasa y los volúmenes de AR tratada, lo cual lo convierte en una alternativa atractiva para eficientar el tratamiento de AR. Por lo tanto, se realizó un estudio basado en un diseño factorial 2k fraccionado dividido en siete etapas continuas para identificar las mejores condiciones operativas de un sistema AGS y AS con el fin de lograr el mayor desempeño de remoción posible en cumplimiento con la nueva NOM-001-SEMARNAT-2021. Además, se evaluó la formación y la capacidad de sedimentación del sistema AGS en un reactor secuencial por lotes (SBR) a escala de banco. También se investigó la remoción simultánea de la demanda química de oxígeno (DQO), nitrógeno total kjeldahl (TKN) y fósforo total (TP) de AR mezcladas de origen industrial y municipal. La atención se centró en el desarrollo y la evolución de los AGS, su morfología, estabilidad y desempeño de remoción en comparación con el sistema AS. Tras 18 días de operación, se identificaron AGS maduros y tras 25 días, se obtuvo un sistema AGS en condiciones estables. Hasta el día 48 (etapa III), no se observaron cambios relevantes en la forma y estabilidad de los gránulos aerobios. Durante esta etapa, se obtuvieron altas eficiencias de remoción de DQO (97.7%) y NTK (86.2%). Además, se mejoró la capacidad de sedimentación mediante un IVL de 65±6.7 mL/g-SST. Desde la etapa IV y hasta el final del experimento, se produjo una desintegración parcial y ruptura en los AGS. En particular, se identificaron dos factores clave para impulsar la compacidad y para la integridad estructural de los AGS: (1) RIV ≥ 67%; y (2) TA≤2.5 L/min. El análisis de componentes principales (PCA) y análisis ANOVA-DBCA fundamentaron los resultados experimentales encontrados.

Palabras clave: Sistema AGS-SBR, aguas residuales reales mezcladas, parámetros operativos influyentes, eficiencia de remoción, estabilidad, capacidad de sedimentación.

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Índice de contenido

Portada

Agradecimientos y Dedicatorias

Índices

Capítulo 1. Introducción

Capítulo 2. Marco teórico

Capítulo 3. Estado del arte

Capítulo 4. Materiales y métodos

Capítulo 5. Resultados y discusión

Capítulo 6. Conclusiones y recomendaciones

Referencias

Anexo I. Comportamiento de las especies de N durante el tratamiento de AR

Anexo II. Ecuaciones de regresión lineal para el cálculo de datos faltantes: Sistema AGS, Sistema AS

Anexo III. ANOVA-DBCA de las variables representativas del sistema AGS

Anexo IV. ANOVA-DBCA de las variables representativas del sistema AS

Anexo V. Estrategia operativa para la formación de un sistema granular aerobio estable en un SBR

Anexo VI. Productos del trabajo de investigación

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Sanchez Sanchez, C. d. 2022. Desarrollo de lodos granulares aerobios para tratamiento de aguas residuales mezcladas. Tesis Doctorado. Ciencias del Agua. Departamento de Ingeniería Civil, Escuela de Ingeniería, Universidad de las Américas Puebla. Diciembre. Derechos Reservados © 2022.