Estudio de la influencia de la relación C/N en la desnitrificación y metanogénesis de aguas residuales en un reactor anaeróbico de lecho fluidizado inverso

La nitrificación-desnitrificación es el proceso biológico tradicional para la remoción de nitrógeno de las aguas residuales (Ruiz G. et al., 2006a), siendo fundamental ya que contribuye a controlar la eutroficación de los cuerpos receptores. Debido al deterioro que sobre la disponibilidad de los recursos han ejercido las actividades antropogénicas, es necesario orientar el tratamiento de las aguas residuales hacia tecnologías que ofrezcan el mayor grado de sustentabilidad, planteando innovaciones en el tratamiento. El presente proyecto de tesis doctoral versa sobre el estudio de la influencia de la relación C/N en la desnitrificación y metanogénesis de aguas residuales urbanas en un reactor anaeróbico de lecho fluidizado inverso (RLFI). Previamente a la realización de las pruebas experimentales de variación de la relación C/N, se llevó a cabo la etapa de arranque del RLFI la cual se inició en modo batch, favoreciendo la formación y adhesión de biopelícula al medio de soporte utilizado (Extendosphere). Después, sobrevino la operación en modo continuo desde una carga volumétrica aplicada (CVA) de 0.5 g DQOs/L⋅d hasta alcanzar 4 g DQOs/L⋅d, carga volumétrica a la cual se logró la plena estabilización del reactor, siendo la alta variabilidad de la concentración de DQOs en el agua residual urbana de alimentación, la principal problemática que ocasionó retrasos en la estabilidad del reactor. A una CVA de 4 g DQOs/L⋅d en estado estacionario, el valor mínimo de eficiencia de remoción de DQOs fue del 32.36% y el máximo de 66.99%. En estas condiciones el porcentaje de metano presente en el biogás producido tuvo un valor medio de 85.57 ± 2.93%, siendo un valor alto comparado con otros porcentajes de metano encontrados en la digestión anaerobia de aguas residuales urbanas. El YCH4 tuvo un valor medio de 0.316 ± 0.110 LCH4/g DQOrem⋅día. Los porcentajes de metanización variaron en el rango de 20.50 a 100%, registrándose un valor medio de 73.42 ± 25.63%. La considerable variabilidad en el porcentaje de metanización se debió principalmente a que se presentaron eventos de lavado de soporte colonizado, lo cual propició que las actividades metabólicas fueran orientadas hacia formación de biopelícula (anabolismo) en vez de estar dirigidas hacia producción de metano (catabolismo). En relación a los ensayos con variación de la relación C/N, se manejaron relaciones DQOs/N-NO3 en el rango de 1.65 a 21.1 g DQOs/g N-NO3. La tasa de remoción anaerobia de DQOs se incrementó con la concentración de sustrato en una relación casi lineal, ajustándose a una cinética de primer orden, lo que regularmente se presenta a concentraciones bajas de sustrato. La eficiencia del proceso de desnitrificación fue por lo regular alta, incrementándose ligeramente con la concentración de DQOs en el influente, con valores en el rango de 73.8 a 99.1%. Por otra parte, la tasa de remoción por metanogénesis se incrementó con la concentración relativa de sustrato (es decir, a mayores relaciones DQOs/N-NO3), siendo más sensitiva la metanogénesis a la concentración relativa de sustrato que la desnitrificación. Conforme aumentó la relación DQOs/N-NO3, la desnitrificación, de ser la ruta metabólica principal de utilización de la materia orgánica (comparada con la metanización), empezó a combinarse con la metanización. De manera evidente, a las relaciones DQOs/N-NO3 probadas, se manifestaron más las actividades desnitrificantes, quedando reflejadas por el alto porcentaje de utilización de la DQOs removida hacia la desnitrificación. La relación experimental DQOs/N-NO3 a la cual se pudiera haber cumplido con el requerimiento de materia orgánica (en términos de DQOs) para la desnitrificación de nitratos en las aguas residuales urbanas tratadas resultó aproximadamente ser igual a 7.1 g DQOs/g N-NO3. A una CVA de 4 g DQOs/L⋅d, se obtuvo un diámetro promedio máximo de soporte colonizado igual a 266.106 ± 69.279 μm aunque, hay que indicarlo, se presentaron fluctuaciones, las cuales se reflejaron también en el espesor de la biopelícula, el cual tuvo un valor máximo de 50.099 μm y un valor promedio de 37.294 ± 11.199 μm. Estas fluctuaciones pudieron deberse a la existencia de corrientes preferenciales dentro del reactor, las cuales no permitieron un acceso equitativo del sustrato a todo el lecho. Nitrification-denitrification is the traditional biological process for nitrogen removal from wastewaters (Ruiz G. et al., 2006a), being fundamental since it contributes to control the eutrophication of the receiving waters. Due to the deterioration that on the availability of the aquatic resources the anthropogenic activities have exerted, it is necessary to orient the treatment of wastewaters towards technologies that offer the greater degree of sustainability, raising innovations in the treatment. This work studied the influence of C/N ratio on denitrification and methanogenesis of urban wastewaters in an inverse fluidized bed reactor (IFBR). Previously to the accomplishment of the experimental tests with variation of C/N ratio, the start up of the IFBR was carried out in batch way, encouraging the formation and adhesion of biofilm to Extendosphere, which it was used as support. The operation in continuous way carried out from an organic loading rate (OLR) of 0.5 g CODs/L ∙ d to 4 g CODs/L ∙ d, when the steady-state was reached. The high variability of the CODs of the urban wastewaters caused delays in the stability of the reactor. Once stationary state was reached, the removal efficiency of CODs ranged from 32.36 to 66.99% to 4 g CODs/L ∙ d. In these conditions the percentage of methane in produced biogas had an average value of 85.57 ± 2.93%, being a high value compared with other studies treating anaerobically urban wastewaters. The YCH4 had an average value of 0.316 ± 0.110 LCH4/g CODrem ∙ d. The percentage of methanisation ranged from 20.50 to 100%, with an average value of 73.42 ± 25.63%. The considerable variability in the methanisation percentage occurred mainly due events of wash-out of colonized support, which caused that the metabolic activities were oriented towards formation of biofilm (anabolism) instead of methane production (catabolism). Concerning the tests with variation of C/N ratio, CODs/NO3-N ratios from 1.65 to 21.1 g CODs/g NO3-N were proved. The CODs anaerobic removal rate increased with the substrate concentration in an almost linear relation, adjusting to a kinetic of first order, which regularly appears to low concentrations of substrate. Efficiency of the denitrification process was regularly high, and it increased slightly with the CODs concentration in the influent, ranging from 73.8 to 99.1%. On the other hand, the CODs removal rate by methanogenesis increased with the substrate relative concentration (e.g., to greater CODs/NO3-N ratios), being more sensitive the methanogenesis to the substrate relative concentration that the denitrification. When the CODs/NO3-N ratio increased, the denitrification, of being the main metabolic route of use of the organic matter (compared with the methanogenesis), began to be combined with the methanogenesis. Definitively, to the proven CODs/NO3-N ratios the denitrification processes were more pronounced, being reflected by the high percentage of use of the removed CODs towards denitrification. The experimental CODs/NO3-N ratio to which it was possible to have been fulfilled the requirement of organic matter (in terms of CODs) for the denitrification of nitrates in urban wastewaters turned out to be approximately 7.1 g CODs/g NO3-N. It was obtained a maximum average diameter of colonized support of 266.106 ± 69.279 μm to 4 g CODs/L ∙ d, although it is necessary to indicate that appeared fluctuations in the thickness of biofilm, which had a maximum value of 50.099 μm and an average value of 37.294 ± 11.199 μm. These fluctuations could be due to the existence of preferential currents within the reactor, which did not allow an equitable access of the substrate to all the bed.

Indicadores de sostenibilidad de la gestión integral de las aguas de lluvia en los entornos urbanos : aplicación a la ciudad de Zaragoza

En un contexto de rápido crecimiento de la población urbana y de cambio climático global, la consecución de un modelo de desarrollo sostenible pasa inevitablemente por construir ciudades más sostenibles. Basado en una intensiva impermeabilización de los suelos, el modelo actual de desarrollo urbano modifica profundamente el ciclo natural del agua en las ciudades. La drástica reducción de la capacidad de infiltración del terreno hace que gran parte de la precipitación se transforme en escorrentía superficial, que se concentra rápidamente originando grandes caudales punta. Además, el lavado de las superficies urbanas aporta altas cargas de contaminación a la escorrentía que producen importantes impactos en los medios receptores. Esta realidad motiva la realización de la presente tesis doctoral cuyo objetivo general es contribuir a la consecución de ciudades sostenibles a través de la gestión integral de las aguas de lluvia en los entornos urbanos. Con el objetivo prioritario de minimizar los riesgos de inundación, el enfoque convencional del drenaje urbano desarrolló las primeras soluciones en relación a los caudales punta, centralizando su gestión en el sistema de saneamiento e incorporando la escorrentía al mismo tan rápido como fuera posible. Pero en episodios de lluvias intensas la sobrecarga tanto hidráulica como de contaminación del sistema provoca un incremento de la vulnerabilidad de la población a las inundaciones, una falta de garantía de salud pública y graves impactos sobre los medios receptores. La aprobación en 1987 del CleanWaterAct en Estados Unidos, en el que se reconoció por primera vez el problema de la contaminación aportada por la escorrentía urbana, fue el punto de partida de un nuevo enfoque que promueve un conjunto de técnicas de drenaje que integran aspectos como cantidad de agua, calidad de agua y servicio a la sociedad. Estas técnicas, conocidas como Sistemas de Drenaje Sostenible (SUDS), son consideradas como las técnicas más apropiadas para gestionar los riesgos resultantes de la escorrentía urbana así como para contribuir a la mejora medioambiental de la cuenca y de los ecosistemas receptores. La experiencia internacional apunta a que la efectiva incorporación de los SUDS como sistemas habituales en el desarrollo urbano debe basarse en tres elementos clave: El desarrollo de un marco normativo, la aplicación de instrumentos económicos y la participación ciudadana activa en el proceso. Además se identifica como una de las líneas estratégicas para avanzar en la resolución de la problemática el desarrollo y aplicación de metodologías que apoyen el proceso de toma de decisiones basadas en indicadores cuantificables. Convergiendo con esta línea estratégica la presente tesis doctoral define unos indicadores de sostenibilidad focalizados en una temática no desarrollada hasta el momento, la gestión integral de las aguas de lluvia. Para ello, se aplica el marco analítico Presión-Estado–Respuesta bajo un enfoque que rebasa el sistema de saneamiento, enmarcando la gestión de las aguas de lluvia en las múltiples y complejas interrelaciones del sistema urbano. Así se determinan indicadores de presión, de estado y de respuesta para cada elemento del sistema urbano (Medio Receptor – Cuenca Urbana – Sistema de Saneamiento), definiendo para cada indicador el objetivo específico, la unidad de medición, la tendencia deseada de evolución y la periodicidad de seguimiento recomendada. La validez de la metodología propuesta se comprueba en el estudio de caso de la ciudad de Zaragoza. La determinación de los indicadores permite realizar un diagnóstico y definir unas líneas estratégicas de actuación que contemplan mejoras no sólo en el sistema de saneamiento y drenaje urbano, sino también en el marco normativo, urbanístico, económico, social y ambiental. Finalmente, se concluye que la integración de la gestión de las aguas de lluvia en las políticas de ordenación del territorio, el desarrollo de mecanismos de coordinación institucional, la mejora del marco normativo y la aplicación de instrumentos económicos son elementos clave para la gestión integral de las aguas de lluvia y el consecuente desarrollo de ciudades más sostenibles en España. In a context of rapid urbanization and global climate change, coping with sustainable development challenges requires the development of sustainable cities. Based on an intensive soil permeability reduction, the current development model deeply modifies the natural water cycle in the urban environment. Reduction of soil infiltration capacity turns most of the rainwater into surface runoff, rapidly leading to heavy peak flows which are highly contaminated due to the flushing of the urban surface. This is the central motivation for this thesis, which aspires to contribute to the attainment of more sustainable cities through an integrated management of rainwater in urban environments. With the main objective of minimizing floods, the conventional approach of drainage systems focused on peak flows, centralizing their management on the sewage system and incorporating flows as fast as possible. But during heavy rains the hydraulic and contamination overcharge of the sewage system leads to an increase in the vulnerability of the population, in regards to floods and lack of public health, as well as to severe impacts in receiving waters. In 1987, the United States’Clean Water Act Declaration, which firstly recognized the problem of runoff contamination, was the starting point of a new approach that promotes a set of techniques known as Sustainable Drainage Systems (SUDS)that integrates issues such as quantity of water, quality of water and service to society. SUDS are considered the most suitable set of techniques to manage the risks resulting from urban runoff, as well as to contribute to the environmental enhancement of urban basins and of the aquatic ecosystems. International experience points out that the effective adoption of SUDS as usual systems in urban development must be based on three key elements: The enhancement of the legal frame, the application of economic tools and the active public participation throughout the process. Additionally, one of the strategic actions to advance in the resolution of the problem is the development and application of methodologies based in measurable indicators that support the decision making process. In that line, this thesis defines a set of sustainability indicators focused in integrated management of rainwater. To that end, the present document applies the analytical frame Pressure – State – Response under an approach that goes beyond the sewage system and considers the multiple and complex interrelations within urban systems. Thus, for the three basic elements that interact in the issue (Receiving Water Bodies – Urban Basin – Sewage System) a set of Pressure – State – Response indicators are proposed, and the specific aim, the measurement unit, the desired evolution trend and the regularity of monitoring are defined for each of the indicators. The application of the proposed indicators to the case study of the city of Zaragoza acknowledged their suitability for the definition of lines of action that encompass not only the enhancement of the performance of sewage and drainage systems during rain events, but also the legal, urban, economic, social and environmental framework. Finally, this thesis concludes that the inclusion of urban rainwater management issues in the definition of regional planning policies, the development of mechanisms to attain an effective institutional coordination, the enhancement of the legal framework and the application of economic tools are key elements in order to achieve an integrated rainwater management and the subsequent sustainability of urban development in Spain.