INTRODUCCIÓN
En al ámbito mundial, la cría de cerdos aporta aproximadamente el 37% de la proteína animal consumida en todo el mundo (McGlone, 2013). Una de las prioridades de la Revolución ha sido la alimentación del pueblo y se han desarrollado, varios programas para garantizar la producción de los renglones necesarios en la dieta alimenticia, fundamentalmente aquella vinculada al consumo de carne animal.
Durante las últimas décadas se ha desarrollado un amplio esquema dirigido a aumentar la producción porcina. Como resultado, en los últimos diez años la producción de carne se ha duplicado y en el año 2016 la producción aproximada fue de 194 976 toneladas (Martín, 2017).
Es evidente que este incremento conlleva a un aumento sustancial en la generación de residuales porcinos y un mayor riesgo de sufrir afectaciones asociadas al mal tratamiento y deficiente disposición final de los mismos (Abouelenien et al., 2014; Fernández-López et al., 2015).
La eliminación inadecuada de estos desechos provoca elevada contaminación, incluyendo aguas subterráneas, problemas de olor, contaminación por patógenos y emisiones de gases de efecto invernadero; principalmente por elevadas concentraciones de nitratos, fósforo y sólidos suspendidos (SS) (Xu et al., 2016).
El reactor de lecho granular expandido (EGSB) se estableció para resolver los problemas de cortocircuitos hidráulicos, zonas muertas y flujos preferenciales que existen en los UASB. Para proveer una mayor mezcla hidráulica, el EGSB trabaja con velocidades ascensionales superiores a la de los UASB y como consecuencia de esto, algunos autores refieren que son capaces de soportar mayores cargas orgánicas volumétricas y tratar volúmenes superiores de aguas residuales (Kato et al., 1994; Seghezzo et al., 1998; Nicolella et al., 2000).
Con estos reactores se han tratado de manera eficiente diversos efluentes (Fang et al., 2011a,b; Liao et al., 2014; Delforno et al., 2014; Lafita et al., 2015; Ambuchi et al., 2016).
Desde hace muchos años, las zeolitas se han reconocido por sus propiedades físicas y químicas atractivas. Son de gran interés para la comunidad científica, sobre todo porque existen en depósitos ampliamente explotables y debido a su estructura y propiedades físicas, son ideales para los procesos de purificación biológica de aguas residuales (Zheng et al., 2015; Ziganshina et al., 2015).
Aunque existen pocos estudios que utilizan el reactor EGSB para el tratamiento de residuales porcino, los resultados hasta el momento indican que es necesario un postratamiento, debido a la baja eliminación de materia orgánica obtenida. Por este motivo el objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto de la adición de zeolita natural como material soporte en un reactor EGSB para el tratamiento de aguas residuales porcinas a altas cargas orgánicas volumétricas.
MATERIALES Y MÉTODOS
Unidad experimental
Un reactor, designado como control (R1), se operó sin adición de mineral, mientras que a R2 se le adicionó 120g de zeolita de un diámetro medio de partículas de 0,1511 mm. Las dimensiones del tubo eran de 0,96 m de altura y 0,05 m de diámetro y las del separador trifásico de 0,15 m de altura y 0,11 m de diámetro siendo el volumen efectivo de 3,04L. En el reactor se colocaron 6 puntos de muestreo. Se usaron pequeñas bolas de cristal en el fondo para garantizar una distribución homogénea del flujo. El tiempo de retención hidráulico teórico (TRHt) fue de 12 horas, obtenido con un flujo de alimentación de 4,0 mL/min. Una bomba peristáltica Gilson Minipuls 3 se utilizó para introducir el afluente por el fondo de la columna del reactor y para la recirculación del efluente se utilizó una bomba dosificadora de Diafragma (Prominent). La zeolita utilizada es natural purificada, proveniente del yacimiento Tasajeras de la provincia de Villa Clara, Cuba; la cual es una mezcla de aproximadamente 70% de clinoptilolita-heulandita, 5% de mordenita, 15% de anortita y 10% de cuarzo.
La alimentación fue con efluente sintético simulando las características del agua residual porcina. La composición inorgánica se basó en la propuesta de Bergmann et al. (2000) y la orgánica estuvo compuesta por carbohidratos (mezcla de sacarosa:almidón:celulosa), proteínas (extracto de malta) y lípidos (aceite emulsionado con detergente comercial) a una relación de 1,75:1,00:0,75, respectivamente.
Efecto de la aplicación de choques de carga orgánica en la estabilidad de los reactores (Ensayo 1)
En este estudio el inóculo se obtuvo de un reactor UASB a gran escala que trata efluentes de matadero de aves (DACAR, Tieté, Sao Paulo, Brasil). El flujo de recirculación (Qr) fue aproximadamente de 200 mL/min, para lograr una velocidad ascensional en el tubo de 6 m/h. El tiempo de operación de los reactores fue de 90 días. Los primeros 40 días se utilizaron para la adaptación del lodo con una COV en el intervalo de 1,0-6,0 kgDQO/m3d. Con esta carga comenzaron a aplicarse sucesivos choques de carga orgánica (SCO) durante 6 horas, unido al incremento de la misma.
Evaluación del proceso a diferentes cargas orgánicas de operación con cambio en la velocidad ascensional (Ensayo 2)
En este estudio el inóculo se obtuvo de un reactor UASB a gran escala que trata efluentes de porcinocultura (UNESP- Jaboticabal, Sao Paulo, Brasil). Se utilizaron los primeros 50 días para la adaptación del lodo con una COV de 1-2 kgDQO/m3d. Se estudiaron dos velocidades ascensionales para evaluar las mejores condiciones de operación. Primero, se evaluó una velocidad ascensional de 6 m/h (Etapa 1), y la COV se aumentó de forma gradual (4, 8, 10 kgDQO/m3d). Posteriormente, se incrementó la velocidad ascensional a 10 m/h y se aplicaron COV de 10 y 15 kgDQO/m3d (Etapa 2).
Técnicas analíticas
El pH se determinó con un pH-metro QX 1500 a dos puntos de calibración (4 y 7). Los análisis de sólidos totales (2540D) y demanda química de oxígeno (5220D) se realizaron de acuerdo al Standard Methods. La concentración de nitrógeno total se midió de acuerdo a la metodología de Kjeldahl con un Marconi MA 036, por digestión seguida de destilación y titración. La determinación de la alcalinidad total (AT), alcalinidad parcial (AP) y alcalinidad intermedia (AI) se realizó de acuerdo con la metodología de Dillalo y Albertson (1961) modificada por Ripley (1986). La cromatografía líquida de alta eficiencia (CLAE) se realizó en columna Aminex HPX-87H (Biorad) para cuantificar los ácidos volátiles.
Los análisis microbiológicos (diámetro medio de los gránulos, DGGE, microscopía de fluorescencia y microscopía electrónica de barrido) se realizaron para verificar diferencias en el tamaño de los gránulos y los microorganismos presentes en el reactor en cada una de las etapas.
Análisis estadístico
Las técnicas analíticas de los indicadores de eficiencia del proceso de digestión anaerobia se realizaron en triplicado. Para el análisis estadístico de las mismas se utilizó el software Infostat 2012 (Di Rienzo et al., 2012). Se realizó análisis de varianza según modelo de clasificación simple. Se aplicó dócima LSD Fisher (1935) para P<0,05.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En ambos Ensayos los valores de pH se mantuvieron próximos a la neutralidad, aunque fueron superiores en R2 que en R1, atribuido probablemente a la presencia de zeolita.
Ensayo 1
En este estudio, los valores promedios de la relación AI/AP fueron de 0,79 para el R1 y de 0,72 para el R2. De la revisión bibliográfica se pudo comprobar que el intervalo adecuado para un buen desempeño del proceso anaerobio es muy variable. Se considera que si la relación AI/AP es superior a 0,3 el proceso de digestión anaerobia es inestable (Ripley et al., 1986). Sin embargo, debido a las particularidades de cada efluente, algunos reactores no muestran irregularidades en el proceso a pesar de que la relación supere este valor (Chernicharo, 2007). Existen reportes en el tratamiento de efluentes de porcinocultura en un reactor UASB, con valores medios para la relación AI/AP de 0,6, sin observar un detrimento en la eficiencia del proceso (Pereira et al., 2009). Como se puede observar en estos casos, la relación AI/AP equivale al doble del valor recomendado en la literatura y coincide aproximadamente con los obtenidos en el presente trabajo.
Eficiencia de eliminación de la demanda química de oxígeno
En la Figura 1 se muestra el comportamiento de la eficiencia en la eliminación de la DQO. Como se puede observar, la estrategia de choques de carga permitió operar los reactores hasta una carga orgánica volumétrica igual a 32 kgDQO/m3d. Los valores de eficiencia alcanzados se mantuvieron en un intervalo entre 70 y 90%, observándose una tendencia al decrecimiento de la misma a medida que se incrementó la COV aplicada. Estos resultados son similares a los reportados en varios estudios de procesos anaerobios con empleo de EGSB como única configuración (Fang et al., 2011b; Liu et al., 2011; Ghorbanian et al., 2014; Li et al., 2014). De acuerdo a la revisión bibliográfica se pudo constatar que son pocos los reportes que refieren la operación de los EGSB a COV mayores que 15 kgDQO/m3d.
En el caso de las COV de 6, 24 y 32 kgDQO/m3d se encontraron diferencias significativas entre ambos reactores con Pvalor de 0,0008; 0,0394 y 0,0087; respectivamente. Existen reportes de empleo de EGSB como única configuración que, al aplicar cargas orgánicas volumétricas en el mismo orden que las aplicadas en este estudio, obtuvieron eficiencias de eliminación de DQO inferiores (Liu et al., 2010; Fang et al., 2011a; Liu et al., 2012). Otros autores refieren resultados de eficiencias también similares, pero operando a COV menores (Delforno et al., 2014; Yu et al., 2014).
Figura 1.
Eficiencia de eliminación de DQO para los dos reactores
Ensayo 2
Eficiencia de eliminación de la demanda química de oxígeno
El comportamiento de la eficiencia de eliminación de la DQO correspondiente a esta experimentación, se muestra en la Figura 2. En las primeras COV aplicadas, los reactores se operan a velocidad ascensional de 6 m/h (Etapa 1). Cabe destacar que el incremento de carga orgánica se realizó paulatinamente. En estas condiciones, la eficiencia en ambos reactores se mantiene en un intervalo entre 86% y 90% sin diferencias significativas. No obstante, existe una tendencia a disminuir a medida que la COV va aumentando. Este comportamiento es de esperar, tal como se explicó anteriormente. Existen reportes de operación de EGSB hasta COV similares a las aplicadas en esta experimentación, que muestran estos resultados (Puñal et al., 2003; Fang et al., 2011b; Ghorbanian et al., 2014).
Figura 2.
Eficiencia de eliminación de la DQO al variar la COV y la velocidad ascensional en ambos reactores
Posteriormente se incrementa la velocidad ascensional a 10 m/h (Etapa 2) y este aumento repercutió en un ligero incremento de la eficiencia de eliminación de DQO en el EGSB modificado, tendencia que se mantuvo en esta COV. Sin embargo, el aumento de la velocidad ascensional tuvo un efecto negativo en el reactor control.
Un incremento posterior de la COV a 15 kgDQO/m3d, manteniendo la velocidad ascensional, no permite la recuperación del reactor control y mantiene la tendencia negativa en la disminución de la eficiencia con valores inferiores al 80%. Por el contrario, en el EGSB modificado tienden a incrementar hasta lograr eficiencias de 90%. En estas condiciones se encontraron diferencias significativas entre reactores con un P-valor < 0,0001.
En el caso del reactor control el comportamiento era esperado y la disminución de la eficiencia se atribuye a la combinación de los efectos de incremento de velocidad ascensional y de la COV. Esto pudo provocar un lavado de la biomasa activa del reactor (Liao et al., 2013). Sin embargo, el comportamiento del EGSB modificado no coincidió con lo reportado en la literatura hasta el momento. Este resultado puede atribuirse solamente a la presencia de la zeolita, que garantiza a esos niveles de COV y de velocidad ascensional, la estabilidad y la robustez del sistema.
En estas condiciones la relación AI/AP tuvo valores promedios de 0,6 para ambos reactores. Este resultado confirma que, para este tipo de residual, la relación AI/AP es el doble de la recomendada en la literatura, tal como se comentó anteriormente.
Efecto del cambio de la velocidad ascensional y la COV en los ácidos grasos volátiles
Como cabe esperar los cambios en la ɳDQO se deben corresponder con cambios en la acumulación de los AGVs. En la Figura 3 se muestra este comportamiento para ambas etapas. Se observa que los resultados coinciden con la evolución de la eficiencia de la DQO para ambos reactores. Se confirma que la mayor acumulación de AGVs ocurre con el efecto combinado de incremento de la velocidad ascensional y de la COV. Las diferencias entre ambos reactores fueron significativas bajo esas condiciones de operación, 15 kgDQO/m3d y 10 m/h.
Los procesos anaerobios se han adaptado a diferentes concentraciones de AGVs, y algunos autores consideran que los niveles inhibitorios pueden estar en el intervalo de 2,2-4,9 g/L (Siegert y Banks, 2005; Climent et al., 2007). En el presente estudio se obtuvieron valores inferiores a estos, aunque en el caso del reactor control, al aumentar la carga orgánica a 15 kgDQO/m3d, la acumulación de AGVs fue de más de un 40% con relación al EGSB modificado. La mayor conversión de los ácidos en R2 puede deberse a la robustez del sistema en presencia de la zeolita. Este resultado coincide con lo reportado por Ziganshina et al. (2015) en la digestión anaerobia de residuales avícolas, donde al incrementar la COV a 3,5 gSV/Ld, la acumulación de AGV en el reactor control, llegó a alcanzar el doble del valor del reactor que contenía zeolita.
Figura 3.
Variación de la concentración de AGVs en R1 y R2 durante el proceso de digestión anaerobia
Diámetro medio de los gránulos
En las muestras coexistieron gránulos de diferentes tamaños en el EGSB modificado, estando los mismos en el intervalo de 0,3 a 3,4 mm. Aproximadamente, el 80% de los gránulos mostraron tamaños en el intervalo de 0,3 a 1,0 mm de lo cual se puede inferir que la zeolita probablemente actuó como soporte, ya que el diámetro medio de la misma fue de 0,15 mm. Con el aumento de la velocidad ascensional y la COV, disminuyó el diámetro promedio de los gránulos en ambos reactores (Figura 4), coincidiendo con lo reportado por Chou et al. (2011). En el EGSB modificado, la presencia de gránulos de mayor diámetro es más visible. En el intervalo estudiado, la mayor frecuencia de gránulos se encontró en este reactor. Probablemente, la zeolita en la parte inferior del reactor, disminuyó el impacto de la tasa de recirculación, que no afectó directamente a la biomasa activa dentro del reactor y favoreció su adhesión. Esto provocó un ligero aumento en el diámetro del gránulo para las velocidades ascensionales estudiadas. Varios estudios reportan este efecto cuando se emplean materiales soportes en configuraciones de lecho expandido.
Figura 4.
Porcentaje del diámetro de los gránulos en las muestras retiradas de punto 1 en ambos reactores
Diversidad microbiana a través de la electroforesis en gel de gradiente desnaturalizante
La técnica PCR/DGGE se usó para comparar las bandas de las comunidades de bacterias (Figura 5) y arqueas (Figura 6) entre ambos reactores durante el período operacional. Aunque esta técnica no es cuantitativa, se observaron diferencias en la intensidad de los perfiles de las bandas.
Para el dominio Bacteria al concluir la primera etapa de operación (A), el coeficiente de similaridad entre ambos reactores en los diferentes puntos, incrementa de 73% a 95%. Sin embargo, el reactor control disminuye tanto la diversidad como la intensidad del dominio Bacteria y el EGSB modificado mantiene mayor homogeneidad tanto en la diversidad como en la riqueza de bacterias.
Al cambiar las condiciones de operación, se observa una disminución en el coeficiente de similaridad entre ambos reactores en los diferentes puntos. El CS disminuye de 80% a 73% entre el punto 3 y el punto 5, pero se observa una mayor homogeneidad en cada reactor a lo largo de los mismos. Posiblemente el aumento del flujo de recirculación haya favorecido la homogeneización de la comunidad bacteriana, aumentando de esta forma, la similaridad.
Cabe destacar que el EGSB modificado mantuvo una diversidad de bacterias muy similar en ambos puntos de muestreo, al cambiar las condiciones de operación. Esto se debe a que en esta porción del reactor se concentra más el lecho de zeolita y los microorganismos tienen la posibilidad de adherirse a la misma y mantener mejor su distribución en el reactor. Es por ello que se puede concluir que para el EGSB modificado, los cambios operacionales no influyeron en la diversidad y riqueza del dominio Bacteria. Por el contrario, el reactor control mostró cambios en la diversidad y riqueza de este dominio con un decrecimiento en ambos indicadores para el punto 3 y ocurre lo contrario en el punto 5, aunque con ligeros incrementos. Estos resultados son lógicos teniendo en cuenta la proximidad del punto 3 a la alimentación y a que este no tiene la posibilidad de mantener los microorganismos adheridos en esa porción.
Figura 5.
Análisis de similaridad para el perfil de bandas de las poblaciones de bacterias del reactor control (R1) y el reactor con adición de zeolita (R2) para las diferentes etapas (A y B) (Correlación de Pearson)
Figura 6.
Análisis de similaridad para el perfil de bandas de las poblaciones de arqueas del reactor control (R1) y el reactor con adición de zeolita (R2) para las diferentes etapas (A y B) (Correlación de Pearson)
Al finalizar la primera etapa (A), ambos reactores muestran un 72% de similaridad entre los puntos 3 y 78% de similaridad entre los puntos 5. Por otra parte, al concluir la segunda etapa, en ambos reactores aparece una menor intensidad en las muestras analizadas siendo un poco más acentuada la presencia de metanógenos en el EGSB modificado bajo estas condiciones. La homogeneidad en cada reactor al finalizar esta etapa es la mayor observada en esta experimentación para el dominio Archaeas. Después de concluida la operación (B) hubo un 93% de similaridad entre los puntos 3 y 5 del R1 y un 92% entre los puntos 3 y 5 del R2. Cabe destacar que entre los grupos de arqueas presentes en los dos ensayos (A y B) hay una diferencia acentuada pues solo existe un 52% de similaridad.
Debido a la menor velocidad aplicada en la etapa A, las arqueas pueden estar distribuidas por zonas a lo largo del reactor, sin embargo, en la etapa B, el mezclado es mayor y la distribución del líquido es más homogénea. Esto pudo traer consigo el aumento en la similaridad entre los puntos en la última etapa. Tal como ocurrió en las poblaciones de bacterias, las poblaciones de arqueas se diferencian con los cambios en las condiciones operacionales. En este caso la atenuación de la intensidad de las bandas de metanógenos confirma la disminución observada en el diámetro medio de los gránulos con el cambio de las condiciones operacionales.
Diversidad microbiana a través de la Microscopía Electrónica de Barrido
En la Figura 7 se observa la MEB realizada a cada reactor para las etapas analizadas. En estas imágenes se puede observar la influencia de los cambios en las condiciones de operación, sobre la morfología de los microorganismos presentes en cada reactor.
Figura 7.
Microscopía electrónica de barrido (MEB) de la biomasa de los reactores operando con Va = 6 m/h y 10 m/h. Presencia de microrganismos del género Methanosaeta (1), Methanosarcina (2), bacilos de diversas dimensiones (3), cocos (4), bacilos curvos (5), vibrios (6) y filamentos largos (7)
Al concluir la Etapa 2 en el reactor control, con el aumento de la velocidad ascensional a 10 m/h y de la COV a 15 kgDQO/m3d, existió una diminución en tamaño de los gránulos, referida en el análisis anterior. Sin embargo, se observa que los microorganismos, principalmente las bacterias, presentan un crecimiento más acentuado, probablemente relacionado con el aumento de la carga orgánica.
De forma general puede afirmarse que las condiciones de operación condicionaron cambios en la morfología de los microorganismos presentes. Este estudio confirma los cambios en las bandas de ambos dominios analizados anteriormente. Se destaca la presencia constante de bacterias filamentosas, lo cual se relaciona con el mantenimiento de la estructura del gránulo; además de bacilos y bacilos curvos. El predominio de las especies Methanosaetas está relacionado con las bajas concentraciones de ácidos grasos volátiles (principalmente ácido acético) detectados en el reactor en comparación con otros estudios similares (McMahon et al., 2001; Leven et al., 2007).
Los resultados de este trabajo coinciden con lo obtenido por Jiménez (2015) que empleó arcillas para el tratamiento de residuales porcinos con adición de paja de arroz y encontró predominio de Methanosaetas. Este estudio demostró que la composición de la comunidad metanogénica en los reactores, puede proveer valiosa y comparable información sobre el comportamiento del sistema anaerobio en diferentes condiciones de operación.
CONCLUSIONES
Los resultados demuestran que a mayores velocidades ascensionales la presencia de zeolita en el reactor EGSB garantiza mayor estabilidad a altas cargas orgánicas. Posterior a los shocks de carga orgánica, el reactor con inclusión de zeolita alcanzó mejores % de eliminación de DQO y fue menor a acumulación de AGV. Los perfiles de DGGE indicaron diferencias entre las poblaciones de bacterias y arqueas, entre los diferentes puntos de muestreo y en las diferentes condiciones impuestas. La adición de zeolita no varió la biodiversidad de la comunidad microbiana.