Desarrollo de modelos híbridos y acoplados para el diseño de filtros anaeróbicos de flujo ascendente a través de múltiples fases separadas en la remoción de materia orgánica de los lixiviados de relleno sanitario

Abstract

En este estudio se desarrollaron modelos híbridos (MH) y modelos acoplados (MA) para diseño de filtros anaeróbicos de flujo ascendente a través de múltiples fases separadas (FAFA-MFS), en dos fases (DI-FAFS) y tres fases (TRI-FAFS), para remoción de materia orgánica (MO) en lixiviados de relleno sanitario (LRS). Los DI-FAFS y TRI-FAFS estuvieron constituidos por tubos y rellenos con cilindros plásticos de superficie específica 476.35 m2 m-3 para dar soporte a la biomasa. El diseño factorial experimental fue 33. La carga orgánica volumétrica (COV) se estableció como, baja COV1 = 2.25 kg demanda química de oxígeno (DQO) m-3d-1, media COV2 = 3.45 kg DQO m-3d-1 y alta: COV3 = 4.64 kg DQO m-3d-1. La temperatura (T) fue fijada en dos niveles psicrófilo, (baja T1 = 20 °C, media T2 = 27 °C) y un nivel mesófilo (alta T3 = 34 ºC). Las relaciones entre profundidades de las fases en sentido del flujo (D1 = profundidad fase 1, D2 = profundidad fase 2, D3 = profundidad fase 3), se configuraron en tres niveles porcentuales: baja 20 %, media 50 % y alta 80 %; DI-FAFS con D1/D2 y en los TRI-FAFS con D1/D2/D3, con tiempos de retención hidráulica (TRH) entre 16-18 horas. La variable de respuesta de los DI-FAFS y TRI-FAFS fue el porcentaje de remoción estable de MO, expresado por la DQO entre los TRH indicados. Los MH y los MA estuvo basada en revisiones de 16 estudios de modelos para el diseño de reactores anaeróbicos desarrollados entre finales de la década de 1960 hasta el presente, así como modelos para filtros aeróbicos formulados desde 1940 hasta el presente, basados en estructuras matemáticas como la ecuación de Monod, ley de Phelps, ley de Velz, ley de Fick, ecuación de Van`t Hoff y ecuación de Stack, a partir de los cuales en este estudio, se formularon, calibraron y validaron estructuras matemáticas de seis MH para los DI-FAFS, seis MH para los TRI.FAFS y siete MA (dos propuestos y cinco adicionales) para los DI-FAFS y dos propuestos y cinco adicionales para los TRI-FAFS. Los MH y MA propuestos explican los procesos de transporte y transformación de la MO contenida en los LRS, suministrando estructuras matemáticas que incluyeron hasta siete coeficientes cinéticos involucrados en el proceso de la transformación bioquímica de sustratos y tres coeficientes para explicar el proceso de transporte de los sustratos dentro de la biopelícula de los FAFA-MFS. Los coeficientes de la cinética del metabolismo microbiano han revelado que el diseño del arreglo experimental de los FAFA-MFS para LRS pre-tratado, condujo a obtener un LRS mayormente soluble y con escaso material particulado, donde evidentemente predominaron los procesos intracelulares de transporte y transformación bioquímica de sustratos solubles precedidos por la ocurrencia de los procesos de transporte de sustratos en la interfaz líquido residual-biopelícula, logrando formulaciones satisfactorias para la predicción de la ocurrencia de los procesos de transporte y transformación a través de los MH y los MA para el diseño de los FAFA-MFS. Los MH y los MA sugeridos para el diseño de los reactores FAFA-MFS han sido el MH No. 2 y el MA No. 2 debido a que contiene los principales parámetros para explicar los procesos de transporte y transformación de sustratos solubles y particulados, así como la calidad de ajuste estadístico entre observaciones y estimaciones. Los enfoques de aplicación de los MH y MA No. 2 han sido para el diseño de los FAFA-MFS para lograr la restauración de aguas superficiales y subterráneas conteniendo altas concentraciones de MO en medio ambiente tropical.