Interciencia ISSN: 0378-1844
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Herrera, Lenín; Yabroudi, Suher; Cárdenas, Carmen; Velásquez, Luznel; Maldonado, Henry; Vargas, Luís; Delgado, José Tratamiento biológico de efluentes de industrias procesadoras de cangrejo azul usando lodos activados Interciencia, vol. 32, núm. 7, julio, 2007, pp. 490-495 Asociación Interciencia Caracas, Venezuela
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TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES DE INDUSTRIAS PROCESADORAS DE CANGREJO AZUL USANDO LODOS ACTIVADOS Lenín Herrera, Suher Yabroudi, Carmen Cárdenas, Luznel Velásquez, Henry Maldonado, Luís Vargas y José Delgado RESUMEN En vista de la falta de información básica, en particular los valores de las constantes biocinéticas, para diseñar los sistemas de tratamiento biológico de las aguas residuales producidas por plantas procesadoras de cangrejos, camarones y conservas de pescado, se realizó un estudio de tratabilidad biológica de los efluentes de una planta procesadora de cangrejos, ubicada en el Municipio San Francisco, Estado Zulia, Venezuela. Se determinó un caudal de agua residual generado en la planta de 7,81L/kg de cangrejo procesado, con un caudal promedio de descarga de 214775L/día. Se caracterizaron muestras de los efluentes de la planta para determinar su calidad y se encontró que los parámetros analizados, en su mayoría, estuvieron fuera de los límites
establecidos por la normativa ambiental venezolana para descargas en cuerpos de agua. Los resultados indican que es necesaria la instalación de un sistema de tratamiento que mejore la calidad de los efluentes descargados. Se realizó un estudio experimental a escala de laboratorio del sistema de tratamiento mediante lodos activados empleando reactores biológicos continuos, para cuatro tiempos de residencia (8, 12, 16 y 20h), y se determinaron las constantes biocinéticas. Los resultados indican que el valor de las constantes biocinéticas del sistema son K= 0,0046L/(mgDQO·d) con coeficiente de correlación del 91,4%; Y T= 0,5442mgSSV/mgDQO y Kd = 0,1175 d-1 ambas con coeficientes de correlación del 93,9%.
Biological Treatment of Effluents from Crab Processing Industries Using an Activated Sludge System Lenín Herrera, Suher Yabroudi, Carmen Cárdenas, Luznel Velásquez, Henry Maldonado, Luís Vargas and José Delgado SUMMARY Due to the lack of basic data, especially biokinetic constants, in order to design a treatment plant to process industrial wastewater from crab and shrimp processing, wastewater from a blue crab processing industry located in the San Francisco Municipality, Zulia State, Venezuela, was studied. The flow of effluent per kg of processed crab was calculated to be 7.81L/kg and the average flow of the crab industry was determined to be 214775L/day. This paper presents the characterization of four different effluents from the crab plant, and this showed that all of them did not fulfill the quality guidelines established by the
Venezuelan Environmental Norm. Therefore, it is necessary to install a wastewater treatment plant in order to achieve the required quality level of the effluent. After wastewater characterization, an activated sludge treatment system was simulated at laboratory scale, using four biological continuous reactors with different residence times (8, 12, 16 and 20h). The biokinetic constants were calculated as K= 0.0046L/(mgDQO·d) with a correlation coefficient of 91,4%; Y T= 0.5442mgSSV/mgDQO and Kd = 0.1175/day, both with correlations of 93.9%.
Introducción
con el Golfo de Venezuela. Ello permite el intercambio de fauna entre las dos zonas, de modo que muchas especies marinas cumplen su ciclo de crecimiento en el lago. Entre el considerable número de es-
En el Estado Zulia, Venezuela, están establecidas empresas procesadoras de cangrejos así como de otras especies acuáticas que se han venido desa-
rrollando sostenidamente en los últimos años. El Lago de Maracaibo se caracteriza por ser esencialmente un cuerpo de agua dulce con características estuarinas, debido a la particularidad de tener comunicación
pecies que se pueden encontrar en el Lago de Maracaibo se halla el cangrejo azul (Callinectes sapidus) el cual, gracias a las características propias de la región, las grandes poblaciones de esta especie y su gran
PALABRAS CLAVE / Aguas Residuales / Cangrejos / Constantes Biocinéticas / Lodos Activados / Recibido: 17/01/2007. Modificado: 05/06/2007. Aceptado: 07/06/2007.
Lenín Herrera. Ingeniero Químico, Universidad del Zulia (LUZ), Venezuela. M.Sc. en Ingeniería Ambiental y Sanitaria, University of Texas, Austin, EEUU. Profesor, LUZ, Venezuela. Asesor, Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia (CIALUZ), Venezuela.
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Suher Yabroudi. Ingeniero Químico y Maestría en Ingeniería Química, LUZ, Venezuela. Profesora, LUZ, Venezuela. Investigadora, CIA-LUZ, Venezuela. Dirección: CIA-LUZ. Apartado 526. Maracaibo, Edo. Zulia, Venezuela. e-mail: yabroudic@ yahoo.com
Carmen Cárdenas. Ingeniero Químico y Maestría en Ingeniería Ambiental, LUZ, Venezuela. Directora, Investigador, Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia, Venezuela. Luznel Velásquez. Ingeniero Químico, LUZ, Venezuela. Ingeniero de Proyecto, INESPA, Venezuela.
0378-1844/07/07/490-06 $ 3.00/0
Henry Maldonado. Ingeniero Químico, LUZ, Venezuela. Ingeniero de Procesos, PDVSA, Venezuela. Luís Vargas. Ingeniero Químico y Maestría en Ingeniería Ambiental, LUZ, Venezuela. Profesor, LUZ, Venezuela. José Delgado. Técnico Químico, Escuela Técnica Industrial, Venezuela. Investigador, CIALUZ, Venezuela.
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TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES DE INDÚSTRIAS PROCESSADORAS DE CARANGUEJO AZUL USANDO LODOS ATIVADOS Lenín Herrera, Suher Yabroudi, Carmen Cárdenas, Luznel Velásquez, Henry Maldonado, Luís Vargas e José Delgado RESUMO Em virtude da falta de informação básica, em particular os valores das constantes bio-cinéticas, para desenhar os sistemas de tratamento biológico das águas residuais produzidas por plantas processadoras de caranguejos, camarões e conservas de peixe, se realizou um estudo de tratabilidade biológica dos efluentes de uma planta processadora de caranguejos, localizada no Município São Francisco, Estado Zulia, Venezuela. Determinou-se uma vazão de água residual, gerado na usina, de 7,81L/kg de caranguejo processado, com uma vazão média de descarga de 214775L/día. Caracterizaram-se amostras dos efluentes da usina para determinar sua qualidade e se encontrou que os parâmetros analisados, na sua maioria, estiveram
fora dos limites estabelecidos pela normativa ambiental venezuelana para descargas em corpos de água. Os resultados indicam que é necessária a instalação de um sistema de tratamento que melhore a qualidade dos efluentes descarregados. Realizou-se um estudo experimental em escala laboratório do sistema de tratamento mediante lodos ativados empregando reatores biológicos contínuos, para quatro tempos de residência (8, 12, 16 e 20h), e se determinaram as constantes bio-cinéticas. Os resultados indicam que o valor das constantes bio-cinéticas do sistema são K= 0,0046L/(mgDQO·d) com coeficiente de correlação de 91,4%; YT= 0,5442 mgSSV/mgDQO e Kd= 0,1175 d-1 ambas com correlação de 93,9%.
abundancia, hace muy rentable su captura y procesamiento. En vista de la demanda de este producto, el crecimiento acelerado de la industria cangrejera ha traído como consecuencia la instalación de plantas de procesamiento, la mayoría de las cuales carecen de sistemas de tratamiento para procesar sus aguas residuales. De acuerdo al esquema de procesamiento que se utiliza en las plantas instaladas (Figura 1), las características de sus efluentes difieren de los generados en industrias instaladas en otros países, cuyos sistemas de tratamiento de aguas residuales han sido diseñados considerando dichas características; en consecuencia, no es posible adoptar los mismos parámetros de diseño y soluciones técnicas para adecuar los efluentes y cumplir con lo establecido en la normativa legal vigente (Acevedo y Flores, 2003; ICLAM, 2004). En el caso de las industrias instaladas en el Lago de Maracaibo no se conocen estudios de tratabilidad biológica y menos aún las constantes biocinéticas para dichos sistemas de tratamiento. En consideración de esta situación y atendiendo a la necesidad de diseñar e instalar sistemas de tratamiento de aguas residuales a cada una de estas industrias surge la necesidad de realizar estudios de tratabilidad biológica y la determinación de las constantes biocinéticas que permitan proyectar los sistemas de tratamiento para empresas con
tudiada. Para ello se evaluó el proceso productivo de la planta procesadora de cangrejo azul y se determinó el volumen de agua residual que se genera por kg de cangrejo procesado; luego se caracterizaron muestras de aguas residuales industriales y domésticas de dicha planta, y se simuló a escala de laboratorio el proceso de tratamiento biológico mediante lodos activados, a cuatro diferentes tiempos de residencia y concentraciones de lodo fijas, con la finalidad de obtener los parámetros necesarios para calcular las constantes biocinéticas de crecimiento (Y T ), de utilización del sustrato (K)
Figura 1. Diagrama de una industria procesadora de cangrejos ubicada en el Estado Zulia, Venezuela.
similares tipos de efluentes, caso particular de las empresas procesadoras de cangrejo azul (Meléndez y Rodríguez, 2002; ICLAM, 2004). Se ha propuesto realizar un estudio de tratabilidad biológica por lodos activados de los ef luentes de una industria típica de procesamiento de cangrejo azul (C. sapidus) con una capacidad promedio de 27500kg/día, ubicada en el Municipio San Francisco, y determinar las constantes biocinéticas que puedan ser aplicadas para el diseño de los sistemas de tratamiento que deberán ser instalados con características similares a la es-
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y de respiración endógena (kd), para permitir desarrollar con base en las mismas el diseño de un sistema de tratamiento para la planta. Materiales y Métodos El estudio experimental consistió en la caracterización de los efluentes combinados, procedentes de las salas de procesamiento de cangrejos y los de origen humano, para lo cual se realizó la determinación de los caudales de la planta, la caracterización de los principales efluentes, tanto de muestras compuestas como de muestras puntuales y la simulación a es-
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Tabla I Análisis físico-químicos realizados durante la caracterización de los efluentes de la planta y métodos correspondientes Análisis Demanda bioquímica de O2 (DBO5,20) Demanda química de O2 (DQO) Nitrógeno Kjeldahl Fósforo Total (P-Total) Concentración de sólidos suspendidos Concentración de sólidos sedimentables Concentración de sólidos totales Alcalinidad total pH Temperatura
cala de laboratorio del proceso de lodos activados para tratar la mezcla compuesta de las aguas residuales de la planta. Se emplearon cuatro tiempos de residencia, manteniendo la misma concentración de lodos en todos los reactores y se determinaron las constantes biocinéticas del proceso, con las cuales es posible diseñar el sistema de tratamiento de lodos activados para tratar los efluentes de la planta procesadora de cangrejos. Caracterización de las aguas residuales Se seleccionaron 4 puntos de captación de muestras que abarcaron los efluentes de las salas de procesos (denominado Canal Central), efluentes de aguas negras, que a su vez reúne los efluentes provenientes de la sección de recepción de la empresa (Aguas Negras),
Tipo de método Winkler Colorimétrico (Reflujo cerrado) para cloruro ≤2000mg/L Volumétrico Colorimétrico Gravimétrico Volumétrico Gravimétrico Volumétrico No aplica No aplica
efluentes provenientes del área de lavandería (Lavandería) y el efluente proveniente de la sección de cocinado de los cangrejos (Autoclave). Esta última fue tomada en un tanque que recoge el vapor condensado de las autoclaves una vez realizado el proceso de cocción de los cangrejos. Para la estimación de los caudales de las aguas residuales generadas, se consideró un día de procesamiento en la planta y se aforó cada una de las corrientes. La caracterización de los efluentes se realizó en muestras compuestas que fueron tomadas a intervalos de 2h, entre las 8:00am y las 6:00pm, para un total de 6 captaciones al día, repitiendo las tomas en 3 días distintos de operación de la planta. Las muestras fueron identificadas según las horas y puntos de muestreo y envasadas en botellas de plástico de 1L, sin agregar aditivos, y refrigeradas
Figura 2. Sistema de lodos activados a escala de laboratorio.
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Nº de método SM 5210-B SM 5220-D SM SM SM SM SM SM SM SM
4500-Norg.B 4500-P.B,E 2540-D 2540-F 2540-B 2320 4500-H+ 2550
a 4ºC, para ser sometidas luego a análisis físicoquímicos. Las determinaciones se hicieron por duplicado según especificaciones y procedimientos del Standard Methods for the Examination of Water and Waste water. Los ensayos realizados se resumen en la Tabla I. Tratabilidad biológica y determinación de las constantes biocinéticas En la fase de simulación del sistema de lodos activados a escala de laboratorio se emplearon reactores de mezcla completa (Figura 2). Los ensayos se realizaron para cuatro tiempos de residencia (8, 12, 16 y 20h) y una concentración de sólidos suspendidos volátiles igual para todos los reactores (SSVLM ~2400mg/L) en una muestra obtenida de una planta de tratamiento de aguas residuales domésticas ubicada en el Municipio Miranda de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo. Los cuatro tiempos de residencia fueron seleccionados con el fin de tener diferentes edades de lodo y relaciones F/M (relación alimento/microorganismo), a fin de obtener varios puntos y poder ajustar la curva a fin de determinar las constantes biocinéticas (Ros y Mejac, 1991). En cada uno de los reactores se determinó diariamente la demanda química de O2 (DQO) y los sólidos suspendidos volátiles (SSV) en el sistema, hasta que los parámetros se mantuvieron relativamente constantes. A partir de este momento se consideró que el lodo se encontraba aclima-
tado. El período experimental con los reactores tuvo una duración total de dos meses. El diseño de los reactores se basó en el modelo de Eckenfelder y Wesley (1980). Dichos reactores estaban conformados por tanques de plexiglass de ~10L, con una cámara de aireación (~7L) y una de sedimentación (~3L) separadas por una pantalla de altura ajustable o guillotina. La alimentación de las aguas residuales a los reactores se realizó por el tope de la superficie líquida de la cámara de aireación, a una tasa de flujo controlada para garantizar el tiempo de residencia en cada reactor, hasta lograr la estabilidad del lodo en cada uno de los sistemas. La guillotina que separa las dos cámaras actúa como una compuerta que solo permite el paso del licor mezclado desde la cámara de aireación hacia el sedimentador, y en contracorriente permitía el retorno del lodo espesado a través de una abertura de 1,5cm entre el fondo del sedimentador y el extremo inferior de la guillotina. En la cámara de aireación el agua residual se mezclaba completamente para mantener el contacto de los compuestos orgánicos presentes en las aguas con la suspensión de microorganismos; la cámara de sedimentación permitía que los microorganismos se acumularan en el fondo y se separaran del agua residual tratada. El agua residual cruda era bombeada constantemente hacia la entrada de los reactores, al igual que el agua tratada era removida de la zona de sedimentación por rebose. El aire se suministraba uniformemente a la cámara de aireación, mediante un difusor plástico con una serie de agujeros en varios puntos del reactor, promoviendo así la mezcla completa en esta sección y manteniendo las condiciones aerobias necesarias. El afluente que alimentaba a cada uno de los reactores era previamente preparado mediante la realización de mezclas compuestas de las distintas aguas residuales de la planta procesadora de cangrejos, de forma tal de mantener la proporcionalidad de las
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Resultados y Discusión
una de las lavadoras pequeñas y tres veces la lavadora industrial, lo que representó un volumen de 3912L/día.
de operación se deben encontrar entre 25 y 35°C (Gaceta, 1995). En cuanto al pH de los efluentes se tiene que las aguas provenientes de lavandería registraron valores alcalinos, mientras que los demás efluentes mostraron pH ~7. Esto se corresponde con la naturaleza de las aguas, ya que provienen de las distintas áreas de proceso y baños. Los resultados indican que las aguas pueden ser tratadas por medios biológicos sin ningún tipo de pretratamiento. En efluentes alcalinos de la lavandería solo se observa una alta concentración de carbonatos y bicarbonatos, mientras que el resto de los efluentes analizados muestran que la alcalinidad fenolftaleínica es de cero, lo que significa que es debida únicamente por la presencia de bicarbonatos. Para el funcionamiento óptimo de un sistema de tratamiento de lodos activados, es recomendable que la alcalinidad en la alimentación sea suficiente como para amortiguar la disminución del pH que ocurre en el reactor a causa de la producción de CO2 El rango óptimo de pH debe mantenerse entre 6,5 y 8,5 (Spencer, 1990; Huidobro et al., 1993; Calderón y Ramírez, 2004). Los valores registrados para la DQO muestran que todos los efluentes, a excepción del correspondiente al Canal Central, son elevados en relación a la capacidad de autodepuración del cuerpo de agua receptor, el Lago de Maracaibo, y están
Mediciones Relación agua residual generade caudal da/kg de cangrejos procesados. del agua de El volumen total de agua resiproceso y de dual generada durante el día aguas negras. fue de 120405L/día, y fueron Los caudales procesados 15412kg de cangreregistrados a jos, por lo que la relación entre Figura 3. Comportamiento diario de los caudales de aguas cada hora para la cantidad de agua requerida el efluente del residuales. por kg de cangrejo procesado agua de proes de 7,81L/kg. ceso (Canal Central) y el de aguas negras aguas a tratar. El proceso de Caracterización de los efluensimulación de tratamiento de se presenta en la Figura 3, dontes. Para cada día de operación de se aprecian las variaciones lodos activados en flujo contiestudiado se realizó, además nuo a escala de laboratorio se de los caudales durante el día. de la caracterización de los Para la determinación del caudal realizó de acuerdo a la metodoefluentes totales de la planta acumulado en un día para cada logía descrita por Eckenfelder y (Tabla II), un estudio del comWesley (1980) y Metcalf-Eddy corriente se aplico el método de portamiento de los efluentes Simpson (Eckenfelder y Wesley, (1996). del canal central y de las aguas Una vez establecidos los tiem1980), obteniéndose 67860L/d negras a lo largo de la jornada para las aguas de procesos y pos de residencia y la concende trabajo. tración de sólidos suspendidos 46953L/d para las aguas neDurante un día de procesavolátiles en el licor mezclado gras. miento de cangrejos la tem(SSVLM ~2400mg/L) en cada Mediciones de caudales proceperatura de los efluentes de la uno de los reactores, se inició dentes de autoclaves y lavandelavandería registró valores por la aclimatación mediante la aliría. La descarga de agua generaencima de la temperatura de mentación continua de la mezcla da por los autoclaves de la seclas aguas del cuerpo de agua compuesta de los efluentes de la ción de cocinado y las lavadoras receptor, la cual esta alrededor planta procesadora de cangrejos. es puntual, siendo la descarga de los 28°C, mientras que la El tiempo requerido para que los de cada autoclave de 40L por temperatura para las aguas nelodos se aclimataran fue de una carga. Para un día de medición gras y aguas del canal central semana. A partir de ese mose realizaron 42 cocinadas, por corresponden a la temperatura mento se realizaron los análisis lo que el caudal generado por ambiente promedio. Según la físicoquímicos necesarios para los autoclaves fue de 1680L/día. normativa vigente en Venezuela evaluación del sistema y la La sección de lavandería cuenta la, la temperatura de descarga determinación de las constantes con dos lavadoras domésticas no debe superar 3°C con resmediante el modelo de Benefield y una industrial. Las lavadoras pecto al cuerpo receptor, por y Randall (1980). Las ecuaciodomésticas utilizan 176L por lo que ningún efluente presenta nes empleadas fueron carga cada una, y la lavadora valores fuera de los límites Q(So -Se ) industrial ~600L. Para el día en permitidos. Para un sistema de = q= KSe (1) que se realizó la medición de tratamiento de lodos activaXVa los caudales se utilizó 12 veces dos las temperaturas óptimas para la determinación de la constante biocinética K. La Tabla II Ec. 1 representa una línea Parámetros físicoquímicos DE LOS EFLUENTES correspondientes recta con pendiente K cuando a un día de procesamiento se graficó Q(So-Se)/XVa versus Se ; y Muestras Kd (2) q= 1 Canal Autoclaves Mezcla Parámetros Unidades Lavandería Aguas YT YT negras central compuesta para la determinación de las Temperatura ºC 31 28 27 55 constantes biocinéticas Y T y pH 9,49 7,41 7,33 7,75 7,95 Kd. La Ec. 2 representa una líAlcalinidad fenolftaleínica mg/L 107 0 0 0 0 nea recta con pendiente 1/YT e Alcalinidad total mg/L 517 174 144 1490 154 intercepto Kd/YT cuando se graDQO mg/L 3592 748 299 20552 531 ficó Q (So-Se)/X·Va versus µ. DBO5,20 mg/L 240 Con base en los resultados Sólidos totales mg/L 5031 951 702 27973 935 de los análisis realizados, se Sólidos sedimentables mL/L 0,20 0,25 1 0 1 procesaron los datos y se ajusSólidos suspendidos totales (SST) mg/L 62 90 58 8040 70 taron las rectas que sirvieron Sólidos suspendidos volátiles (SSV) mg/L 36 74 30 7300 56 para determinar los valores de Nitrógeno mg/L 16,7 YT, K y Kd. Fósforo mg/L 3,9
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Tabla III Comportamiento del sistema a escala de laboratorio para los tiempos de residencia estudiados Días 8 horas 1 2 3 4 5 12 horas 1 2 3 4 5 16 horas 1 2 3 4 5 20 horas 1 2 3 4 5
SSVi mg/L
SSVf mg/L
SSVLM mg/L
DQOi mg/L
DQOf mg/L
%Rem DQO
DBOi mg/L
DBOf mg/L
%Rem DBO
Ni mg/L
Nf mg/L
% Rem N
Pi mg/L
Pf mg/L
% Rem
76 92 126 220 44
6 16 4 6 6
2560 2750 2910 2580 2660
482 491 693 1132 465
103 130 74 63 103
78,6 73,5 89,3 94,4 77,8
263 260 293 415 190
4 14 8 7 4
99,2 94,5 97,4 98,4 97,8
16,8 18,2 12,4
2,3 1,4 1,0
86,3 92,3 91,9
4,9 5,3 4,4
3,9 3,9 3,9
21,2 25,3 11,5
80 92 60 64 68
4 6 4 6 2
2380 2400 2420 2430 2390
416 633 384 388 388
77 82 81 76 69
81,5 86,4 74,8 80,3 82,1
245 300 203 188 155
3 5 1 2 6
99,0 98,4 99,5 99,0 95,9
15,4 12,3 13,1
1,6 2,2 1,2
89,6 82,1 90,8
5,2 4,8 5,0
4,1 3,9 3,9
21,0 18,0 21,6
80 92 60 64 68
2 4 2 6 2
2370 2380 2270 2350 2330
416 634 384 388 388
68 76 97 57 57
83,5 88,0 79,0 85,4 85,4
245 300 203 188 155
6 6 4 3 5
97,6 98,0 97,9 98,4 96,9
15,4 12,3 13,1
1,4 0,6 0,4
90,9 95,1 96,9
5,2 4,8 5,0
4,0 4,0 4,2
23,9 16,1 17,0
76 92 126 220 44
8 4 4 26 14
2340 2250 2320 2300 2280
482 491 693 1132 465
36 42 44 129 69
92,6 91,4 93,7 88,6 85,1
263 260 293 415 190
2 6 5 20 9
98,2 97,6 98,5 95,1 95,1
16,8 18,2 12,4
0,6 0,3 0,2
96,4 98,3 98,3
4,9 5,3 4,4
3,7 3,8 3,7
23,9 27,0 14,9
P
SSVi: Sólidos suspendidos volátiles del afluente, SSVf: Sólidos suspendidos volátiles del efluente, SSVLM: Sólidos suspendidos volátiles en el reactor, DQOi: Demanda química de O2 del afluente, DQOf: Demanda química de O2 del efluente, %Rem DQO: Porcentaje de remoción de DQO, DBOi: Demanda bioquímica de O2 del afluente, DBOf: Demanda bioquímica de O2 del efluente, %Rem DBO: Porcentaje de remoción de DBO, Ni: Concentración de N total en el afluente, Nf: Concentración de N total en el efluente, %Rem N: Porcentaje de remoción de N, P i: Concentración de P total en el afluente, P f: Concentración de PP total en el efluente, %Rem P: Porcentaje de remoción de P.
fuera de los límites establecidos por la normativa ambiental (DQO
