1. Introducción

En ciudades tropicales y países en desarrollo las condiciones socioeconómicas limitan el avance tecnológico de obras de saneamiento; los vertimientos directos de aguas residuales municipales a las corrientes urbanas son frecuentes y presentan dificultad para su reducción y eliminación en el corto tiempo, generando consecuencias ambientales desfavorables para la calidad de vida y la salud pública urbana [¹,²]. En América Latina y el Caribe menos del 10 % de las aguas residuales domésticas de la población recibe tratamiento previo antes de ser descargadas a un cuerpo de agua superficial, o se usan para riego agrícola. Existen comunidades que por su ubicación geográfica toman para su abastecimiento aguas no aptas para su consumo [³], por lo que las aguas residuales tratadas representan un potencial de aprovechamiento principalmente en regiones con escasez de agua [⁴].

Las aguas residuales domésticas se caracterizan por su elevada concentración de partículas en suspensión, materia orgánica, nutrientes, compuestos antropogénicos y patógenos que pueden causar eutrofización con daños a la vida acuática y la calidad de las fuentes hídricas [⁵]. Las tecnologías existentes para el tratamiento de aguas residuales municipales son relativamente costosas y dificultan su adopción en las comunidades urbanas localizadas en zonas tropicales, en donde es evidente un avance constructivo menor al de otras regiones del mundo, con obras e inversiones ejecutadas que presentan problemas de operación y conllevan al cierre parcial o total de los procesos de tratamiento [³]. Sin embargo, los tratamientos biológicos de tipo anaerobio son una posibilidad económica y práctica que deben ser considerados para evaluar problemáticas de saneamiento hídrico [⁶].

Con la baja cobertura existente se requiere incrementar la construcción de sistemas de tratamiento, fundamentada en tecnologías sostenibles de bajo costo de inversión y operación que sean asimilables a la cultura y condiciones climáticas de cada región [⁷]. Los sistemas de tratamiento anaerobio tipo UASB se destacan dentro del grupo de proceso convencionales porque han evolucionado en cumplimiento de exigencias ambientales con importantes ventajas técnicas, económicas y sociales sobre otros sistemas de tratamiento anaerobio y aerobio. Los reactores UASB fueron desarrollados en la década de los 70ˈs como parte del proceso evolutivo del tratamiento anaerobio y fundamentado en el flujo ascendente a través de un manto de lodos que permite separar agua, biogás y lodo en condiciones de alta turbulencia [⁸-¹⁰].

El tratamiento anaerobio de las aguas residuales es un proceso biológico en ausencia de oxígeno, que busca la remoción de carga contaminante mediante un consorcio de microorganismos que realizan los procesos de hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis [⁷,¹¹,¹²] de la materia orgánica presente; y la convierten en lodo y biogás compuesto por metano (CH₄) y dióxido de carbono CO₂, y trazas de H₂, N₂ , O₂ y gas sulfhídrico (H₂S) [¹]. Los UASB pueden ser diseñados en forma rectangular, cuadrada o circular. Se han construido en concreto reforzado, fibra de vidrio y acero inoxidable, con ventajas y desventajas relacionadas con los costos de inversión inicial y de operación [¹⁰].

Estudios exhaustivos en todo el mundo sobre la aplicación de tratamientos anaerobios de aguas residuales muestran que el tipo más común de reactor diseñado es el UASB (supera el 60 %), usado principalmente para efluentes de alimentos, cervecerías, destilerías y aguas residuales domésticas. Japón lidera con plantas industriales, seguido de Alemania, Holanda, USA e India. En América Latina el sistema UASB tiene mayor uso para tratamiento de aguas residuales domésticas y se destaca el funcionamiento por más de 20 años de esta tecnología en Brasil, México y Colombia [⁸]. Los resultados obtenidos en la implementación en estos países reportan eficiencias de reducción de DBO₅, DQO y SS en rangos de 70 al 90 %, junto con bajos costos de inversión y operación en relación con los tratamientos de tipo aerobio [²].

Con los proyectos ejecutados a nivel piloto y plantas municipales se ha obtenido información valiosa sobre criterios de diseño, arranque y operación de reactores UASB, sin embargo, con los ajustes y las mejoras permanentes debe continuarse evaluando el comportamiento integral para consolidar parámetros y demostrar la factibilidad de su implementación en casos particulares [¹³].

El objetivo principal de esta investigación fue evaluar la eficiencia del proceso primario anaerobio de los cuatro reactores UASB de una PTAR colombiana durante un periodo de nueve años (2007 a 2015). Se tuvo en cuenta la eficiencia de remoción de la materia orgánica en relación a los parámetros de DQO, DBO₅ y SS. Adicionalmente, se estudiaron las condiciones de pH y temperatura, junto con los siguientes parámetros operativos de seguimiento: remoción de nitrógeno y fósforo, relación entre ácidos grasos volátiles (AGV) y alcalinidad, producción de lodos y biogás, y actividad metanogénica. Se analizaron también las variaciones dimensionales y de ajuste geométrico de los dos tipos de reactores UASB construidos, con su repercusión en los resultados de eficiencia y parámetros operativos de seguimiento.

2.1. Descripción del lugar de la investigación

La investigación se llevó a cabo en una PTAR colombiana: Río Frío, Bucaramanga; la cual funciona desde 1990 [¹⁴]. Está ubicada a 900 msnm, con una temperatura media que oscila entre 20 y 30 °C. Es la primera planta construida en Colombia, con procesos primarios y secundarios de tipo anaerobio para tratar el 30 % del agua residual doméstica generada por la población del área metropolitana de la ciudad.

Esta planta trata el drenaje sanitario urbano de los municipios de Bucaramanga (zona sur-10 %), Floridablanca (95 %) y Girón (1%), con una población equivalente cercana a los 325 mil habitantes para el año 2015 y una capacidad de servicio de 500 l/s, con proyección modular hasta un máximo crecimiento de 2000 l/s.

La Tabla 1 presenta las características de los componentes de cada etapa de tratamiento. La Fig. 1 muestra las fases de tratamiento que conforman la planta y la secuencia hidráulica de sus procesos. La PTAR Río Frío se ha construido por etapas y para el caso del tratamiento primario se tienen cuatro reactores UASB; los dos primeros módulos funcionan desde el año 1990, el tercero desde 1997, y el cuarto desde el año 2006.

Tabla 1 Características de las etapas de tratamiento en la PTAR Río Frío 

Fuente: Los Autores.

Fuente: Los Autores.

Figura 1 Esquema de procesos de la PTAR Río Frío. 

2.2. Sistema de recolección de la información

Se evaluaron los cuatro reactores UASB que conformaron el tratamiento primario de la PTAR Río Frío mediante los registros operativos de seguimiento de los parámetros de caudal y calidad del agua tomados periódicamente en el afluente al sistema preliminar y en el efluente de cada uno de los UASB que funcionaron integralmente desde el año 2006. Se tuvo información individual de cada reactor a excepción del UASB 4 que tenía dos compartimientos internos simétricos que identificaremos como UASB 4N y 4S.

En la operación de la planta se llevaron registros horarios manuales de caudal sobre el canal de entrada antes del tratamiento preliminar en un punto calibrado para tal fin, y en una estructura de repartición de flujo, denominada Pozo P-2, afluente a los cuatro reactores UASB. Las caracterizaciones principales en la planta se realizaron en el afluente al sistema preliminar, el efluente de cada UASB y en el vertimiento final. La toma de muestras se realizó dos veces a la semana (miércoles y domingo) en una jornada de 24 horas y posteriormente se integraron para su evaluación en un laboratorio acreditado.

Para la investigación se utilizaron los registros de parámetros de DQO, DBO₅, SS, alcalinidad, AGV y temperatura. El pH se tomó cada seis horas en los puntos anteriormente mencionados. También se tuvieron en cuenta los registros de los subproductos de lodo y biogás generados en los reactores UASB (tomados con medidores tipo ST-98) para el promedio mensual. A nivel de nutrientes (nitrógeno y fósforo) y actividad metanogénica se realizaron muestras mensuales procesadas en laboratorio externo.

Adicionalmente, se cuenta con la cromatografía de gases de los años 2009, 2010 y 2012 en una jornada de 24 horas en un día del año, con doce muestras tomadas cada dos horas, que analizó la composición del biogás total de los reactores UASB antes de su llegada a las cinco chimeneas o teas de quemado. Se tuvieron periodos mensuales sin registros, los cuales correspondieron a los tiempos requeridos para el mantenimiento y reparaciones de un UASB que sale de servicio o algún equipo que presentó problemas en la toma de muestras. Para la investigación se trabajó con la información procesada y consolidada de los promedios mensuales en una base de datos para el periodo comprendido entre 2007 y 2015.

2.3. Análisis de la información

Los parámetros medidos y los resultados de las caracterizaciones y registros operativos se organizaron en una base de datos histórica. Con esta información se evaluó el comportamiento individual de los cuatro reactores y el conjunto del sistema UASB en un tiempo representativo de 9 años.

Con los registros comparativos del afluente al sistema preliminar y el efluente de cada reactor UASB, se estimó la eficiencia de remoción alcanzada mensualmente y se integraron los datos para obtener el promedio mensual, anual y sus variaciones extremas (mínimos y máximos) de DQO, DBO₅ y SS. Se analizaron los resultados obtenidos mediante herramientas gráficas y estadísticas que permitieron obtener correlación entre parámetros, comparación con sistemas similares, legislación e identificación de las razones que justificaron variaciones particulares de los datos consolidados [¹⁵,¹⁶].

Se evaluaron parámetros operativos que tuvieron repercusión en el funcionamiento y en la eficiencia de los reactores UASB, siendo de importancia en los sistemas anaerobios la temperatura, pH, relación AGV/Alcalinidad, producción de lodos, actividad metanogénica y composición del biogás. Se verificó si existió variación o remoción de nitrógeno y fósforo en los reactores UASB.

Se revisaron y evaluaron las diferencias estructurales y geométricas de dimensionamiento de los dos tipos de reactores UASB construidos, la rutina de mantenimiento y agentes externos atípicos que generaron alteraciones en el funcionamiento óptimo del sistema de tratamiento de los sistemas anaerobios tipo UASB. Los resultados fueron comparados con sistemas similares, variables de diseño, y normatividad y legislación de referencia.

3. Resultados y discusión

La Tabla 2 presenta los parámetros promedio operativos del sistema afluente a la PTAR Río Frío y del efluente de los cuatro reactores UASB del sistema de tratamiento anaerobio de tipo primario. Adicionalmente, también presenta los caudales aportantes, correspondientes al sistema de alcantarillado del sector sur de la ciudad de Bucaramanga y la totalidad de la zona urbana de Floridablanca; cuya composición es consistente con las características de aguas residuales de tipo doméstico de clase moderada a concentrada [¹³]. Existieron variaciones normales de los registros de entrada a la planta entre el caudal medio diario, máximo horario y otros aportes menores de tipo industrial y conexiones erradas pluviales conectadas a la red.

Tabla 2 Valores promedio operativos anuales - Afluente a PTAR Río Frío y reactores UASB 1 a 4. 

Fuente: Los Autores.

El caudal medio de tratamiento osciló entre 400 y 500 l/s y se identificaron caudales de trabajo de cada reactor UASB entre 120 a 130 l/s. El rango mesofílico de temperatura de la zona en donde se localizó la planta y de todas las etapas del sistema de tratamiento estuvo entre 22 y 31 °C, que junto al pH (extremos entre 6.0 y 8.0) permitieron condiciones de estabilidad para las bacterias metanogénicas y un ambiente reductor favorable para los procesos anaerobios [¹³,¹⁷].

3.1. Eficiencia del sistema UASB

Una vez consolidados los registros de las diferentes variables, se encontró mediante la prueba de coeficiente de correlación de Pearson que la DQO presentó la mejor correlación (entre media y fuerte) tanto en las condiciones del afluente a la PTAR (r = 0.83, p-valor < 0.05, DBO₅; y r = 0.48, p-valor < 0.05, SS), como en el efluente (r = 0.83, p-valor < 0.05, DBO₅; y r = 0.86, p-valor < 0.05, , SS) de los UASB; ratificándose en este estudio como la variable representativa de los tratamientos anaerobios. Investigaciones en sistema de tratamiento anaerobio también han reportado resultados similares [¹⁹].

Los resultados de la eficiencia media de los parámetros de DQO, DBO₅ y SS se encontraron en el límite inferior de los rangos exigidos en documentos normativos [¹⁸] y de recomendaciones de diseño [¹⁹] para aguas residuales domésticas de baja carga orgánica: DQO entre 60 y 70 %, DBO₅ entre 60 y 80 %, y SS entre 60 y 70 %; y por debajo de los reportados en reactores usados para el tratamiento de aguas residuales de tipo industrial [²,¹⁷,²⁰,²¹]; cuyas eficiencias tendieron a ser mayores en relación a las eficiencias en aguas residuales de tipo doméstico.

Esta tendencia de comportamiento de trabajo de los UASB se evidenció en algunos periodos mensuales con las concentraciones máximas del afluente a la planta, 990 mg/l de DQO, 483 mg/l de DBO₅, y 459 mg/l de SS; que permitieron evaluar las mejores eficiencias mensuales de los reactores UASB: 69 % (DQO), 80 % (DBO₅) y 77 % (SS).

Adicionalmente, el lodo tuvo la capacidad de adaptación a las variaciones frecuentes del sistema para asimilar altas cargas sin alterar la actividad microbiológica; en situaciones cuyos caudales a tratar tuvieron características superiores de carga a las condiciones medias de las aguas residuales domésticas que manejó esta planta municipal.

Con las exigencias normativas de control de vertimientos de aguas residuales domesticas en Colombia, DQO entre 150 y 180 mg/l, DBO₅ entre 70 y 90 mg/l, y SS entre 70 y 90 mg/l [¹⁸], y ante la limitación en la remoción restante de materia orgánica (patógenos) y nutrientes que no permitiría alcanzar los valores límites al utilizar únicamente reactores anaerobios tipo UASB, se justificó implementar una fase posterior de tratamiento [²²,²³]. En el caso de la PTAR se encuentran posteriormente dos lagunas facultativas. La relación DQO/DBO₅ con rangos entre 2.0 y 3.0 mostró que el agua residual es apta para ser depurada a través de tratamiento biológico [²⁴] y debido a esto se alcanzaron eficiencias superiores al 80 % para DBO₅ y SS.

Los reactores UASB tuvieron una alta capacidad de asimilar variaciones de concentración, pero la eficiencia en la remoción de la materia orgánica se pudo alterar por razones de tipo microbiológico y de operación, dado que el ambiente varió continuamente en el paso del fluido por el reactor, de modo que la población microbiológica se vio obligada a realizar continuas readaptaciones [¹³]. Esta situación se presentó en el año 2009 por problemas operativos de seguimiento y control durante varios meses, producto de actividades puntuales de reparación con una inadecuada manipulación de insumos tóxicos que erróneamente se introdujeron en los UASB 1 a 4 durante los trabajos en las cubiertas de los reactores. Esto probablemente afectó de manera significativa la digestión anaerobia y, por consiguiente, disminuyó la eficiencia a lo largo de dicho año. Según reportes operativos, posteriormente se realizó la purga de los lodos y cambio de lodo anaeróbico que volvió a elevar los niveles de eficiencia a condiciones normales en los años siguientes.

La Tabla 3 presenta el comportamiento de las eficiencias de los parámetros principales de calidad del agua de cada uno de los 4 reactores UASB a lo largo de los 9 años de registros mensuales analizados.

Tabla 3 Eficiencias de remoción promedio (%) de DQO, DBO₅ y SS en los reactores UASB 

DNR: Datos No Reportados.

Fuente: Los Autores.

3.2. Seguimiento operativo a otros componentes

Los resultados comparativos de las caracterizaciones de nutrientes (nitrógeno y fósforo) en el afluente a la planta y el efluente de los UASB (Tabla 2), permitieron ratificar que este tipo de sistemas anaerobios no hicieron remoción de estos compuestos y fue necesaria una fase posterior de tratamiento para su reducción [¹]. La legislación colombiana aplicable en el periodo de operación de la planta no exigía límites de control para estos compuestos, no obstante, la nueva legislación estableció su análisis y reporte [²²].

La relación entre AGV/Alcalinidad (rangos entre 0.02 y 0.40) permitió establecer que se tuvo estabilidad en el proceso anaerobio, indicando un equilibrio entre la acidogénesis y metanogénesis al interior del reactor [¹³,¹⁵]. Las cromatografías de tres años (2009, 2010 y 2012) tomadas en la red de conducción de biogás antes de las teas de quemado (Tabla 4), permitió establecer que el biogás producido en los reactores UASB estuvo compuesto por metano-CH₄ (82.6%), nitrógeno-N₂ (8.6%), dióxido de carbono-CO₂ (8.0%), oxígeno-O₂ (0.6%) y sulfuro de hidrógeno-H₂S (0.2%). La legislación vigente sobre calidad del aire también estableció controles por olor ofensivo asociado al H₂S. Los valores extremos registrados de H₂S en la conducción al efluente de los UASB y antes del quemado del biogás (entre 0.03 % a 0.5 %) estuvieron por debajo del umbral del nivel máximo permisible establecido; de superarse estos valores, se podría implementar un plan de reducción acordado con la autoridad ambiental [²⁵].

Fuente: Los Autores.

Figura 2 Sección típica de los reactores UASB tipo 1 y tipo 2. 

Tabla 4 Composición del biogás generado en la PTAR Río Frío. 

Fuente: Los Autores.

En la actualidad el biogás se quema en una chimenea artesanal y se proyecta la posibilidad de uso futuro como generador de energía para apoyar la fase secundaria de la PTAR Río Frío, que cambiará las lagunas facultativas por un sistema aerobio de lodos activados. A pesar de tener un sistema integral de captura, transporte y quemado de biogás, se observan fugas menores de biogás que generan incomodidad en el entorno industrial y residencial de la planta, por lo cual se toman medidas de mejora para la mitigación de olores ofensivos debido al H₂S (p.ej. cercas vivas).

Con los datos integrados de caudales y dimensiones volumétricas de los UASB, como complemento de la investigación para establecer el comportamiento y calibración de parámetros hidráulicos y de diseño, se calculó el tiempo de retención hidráulico-TRH (ϴ). Este varió entre 6.9 y 8.9 horas (7.8 h promedio), encontrándose dentro de los rangos de diseño reportados por la literatura (7 a 9 h de 22 a 26°C) [¹⁹], y siendo mayor a las 6 h; tiempo recomendado por la normatividad colombiana. En otras evaluaciones desarrolladas en los primeros años de puesta en funcionamiento de la PTAR Río Frío se obtuvieron TRH de 6 h [²⁶]. En este estudio, la velocidad ascensional media fue de 0.5 m/h y la carga volumétrica de 1.2 m³/m²*d. En general, estos resultados se mantienen dentro de los rangos recomendados de diseño [²⁰].

4. Conclusiones

En este estudio, los resultados muestran que las eficiencias de remoción de materia orgánica de los UASB son 52 % para DQO, 66 % para DBO₅ y 60 % para SS. Se observa que como sistema único no es posible alcanzar los límites normativos colombianos para DQO (60 a 80 %), DBO₅ (65 a 80 %) y SS (60 a 70%). Las menores eficiencias de remoción observadas durante el año 2009 están entre 24-25 % para DQO, 30-31 % para DBO₅ y entre 36-39 % para SS. Estas eficiencias son observadas en el reactor UASB4 y se observan durante periodos de arranque. Las mayores eficiencias de remoción se observan durante el año 2011, cuando los caudales a tratar tienen concentraciones superiores (766 mg/l de DQO, 374 mg/l de DBO₅ y 328 mg/l de SS) en relación al comportamiento promedio de los parámetros de calidad del agua considerados.

El reactor anaerobio tipo 1 conformado por los UASB 1, 2 y 3, presenta mejores resultados de eficiencia de remoción de materia orgánica y sólidos en suspensión (54 %-DQO, 68 %-DBO₅ y 62 %-SS) en relación al reactor tipo 2 del UASB4 (48 %-DQO, 63.5 %-DBO₅ y 57 %-SS). Factores como el caudal tratado y su TRH (ϴ), la menor altura de la zona de lodos, la estructura y geometría de la zona de transición gas-líquido-sólido (GLS), junto con los elementos de los canales de salida en la zona de sedimentación probablemente pueden estar influyendo en esta diferencia de remoción de materia orgánica y sólidos en suspensión.

A pesar de que los cuatro reactores UASB tienen un volumen de servicio similar (3300 m³), los registros muestran que no existe una distribución uniforme de caudales; enviando un mayor caudal de tratamiento hacia los reactores UASB tipo 1 (entre 120-130 l/s) en relación a los reactores UASB tipo 2 (entre 100-110 l/s). Esto lleva a tiempos de retención hidráulica-TRH (ϴ) entre 6.9-7.7 h en el primer caso y de 8.9 h en el segundo. La mayor eficiencia observada en los reactores UASB 3 se obtuvo con un TRH de 7.7 h, valor superior a las 6 h recomendadas en documentos normativos, de diseño y otras investigaciones similares para el tratamiento de aguas residuales de tipo doméstico.

Finalmente, este estudio se constituye en un punto de referencia para las empresas de servicios públicos y diseñadores en escenarios de tratamiento anaerobio de aguas residuales mediante la tecnología de reactores UASB.