Integration of advanced oxidation processes (ozone/magnetite) and biological treatments (up-flow anaerobic sludge blanket reactor - uasb and microalgae) for the treatment of landfill leachates
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Resumen en inglés
This research addresses the treatment of landfill leachates by integrating advanced oxidation processes (AOPs) and biological treatments to enhance contaminant removal efficiency and reduce effluent toxicity. For this purpose, catalytic ozonation with magnetite, its coupling with an up-flow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor, and the integration of microalgae as a post-treatment stage were evaluated. Experimental studies were conducted using leachates from two landfills with contrasting characteristics: one located in a municipality with predominantly agricultural activities (La Madera, Ocaña) and another in a city with industrial activity (El Guayabal, Cúcuta), allowing for a broader application of the results. The study determined that catalytic ozonation with magnetite optimizes organic matter degradation and improves leachate biodegradability, achieving chemical oxygen demand (COD) reductions of 85.3% in El Guayabal and 75.8% in La Madera. Process optimization established optimal operating conditions with an ozone dose of 6 g/h, a magnetite concentration of 2.5 g/L, and a pH of 9, maximizing process efficiency while minimizing ozone consumption. However, a progressive decrease in catalyst efficiency was observed after successive reuse cycles, highlighting the need for regeneration strategies to maintain performance. The coupling of catalytic ozonation with the UASB reactor improved the stability of the biological system, increasing the BOD₅/COD ratio from 0.26 to 0.38 in El Guayabal and from 0.23 to 0.32 in La Madera, facilitating the anaerobic biodegradation of organic matter. The UASB reactor, operating at a hydraulic retention time of 24 hours, achieved COD removals between 60% and 75%, with more excellent stability in leachates with higher concentrations of biodegradable compounds. However, ammoniacal nitrogen removal was limited, with residual concentrations reaching up to 546.1 mg/L, indicating the need for additional treatment to comply with discharge standards. Microalgae as a post-treatment allowed for the removal of up to 65% of total nitrogen and 70% of phosphorus, demonstrating its potential as a final stage in landfill leachate treatment. However, its efficiency in organic matter removal was lower tan that of the UASB reactor, suggesting that its application should focus primarily on nutrient reduction and improving final effluent quality. This study's conclusions confirm that combining catalytic ozonation with magnetite, anaerobic treatment, and microalgae is a viable and efficient alternative for treating landfill leachates with different characteristics. The treatment configuration plays a crucial role in overall process efficiency, with catalytic ozonation being more effective as a pretreatment to facilitate subsequent biological degradation. The need to integrate additional nitrogen removal and catalyst regeneration strategies is emphasized, and the economic and energy feasibility of the process for large-scale implementation is assessed. From a scientific perspective, this thesis contributes to advancing knowledge in landfill leachate treatment by developing optimization models for catalytic ozonation, evaluating catalyst stability during reuse cycles, studying the impact of ozonation on leachate biodegradability, and demonstrating the synergy between advanced oxidation processes and biological systems.
Resumen en español
La presente investigación aborda el tratamiento de lixiviados de rellenos sanitarios mediante la integración de procesos avanzados de oxidación (PAOs) y tratamientos biológicos, con el fin de mejorar la eficiencia en la remoción de contaminantes y reducir la toxicidad del efluente. Para ello, se evaluó la ozonización catalítica con magnetita, su acople con un reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB) y la integración de microalgas como etapa de postratamiento. Se llevaron a cabo estudios experimentales con lixiviados de dos rellenos sanitarios con características contrastantes: uno ubicado en un municipio con predominio de actividades agrícolas (La Madera, Ocaña) y otro en un municipio con actividad industrial (El Guayabal, Cúcuta), lo que permitió ampliar el ámbito de aplicación de los resultados. El estudio determinó que la ozonización catalítica con magnetita optimiza la degradación de materia orgánica y mejora la biodegradabilidad del lixiviado, alcanzando reducciones de demanda química de oxígeno (DQO) del 85.3 % en El Guayabal y 75.8 % en La Madera. La optimización del proceso estableció condiciones operativas óptimas con una dosis de ozono de 6 g/h, una concentración de magnetita de 2.5 g/L y un pH de 9, lo que permitió maximizar la eficiencia del proceso con un consumo mínimo de ozono. Sin embargo, se observó una disminución progresiva en la eficiencia del catalizador tras sucesivos ciclos de reutilización, lo que plantea la necesidad de estrategias de regeneración para mantener su desempeño. El acoplamiento de la ozonización catalítica con el reactor UASB permitió mejorar la estabilidad del sistema biológico, aumentando la relación DBO5/DQO de 0.26 a 0.38 en El Guayabal y de 0.23 a 0.32 en La Madera, lo que facilitó la biodegradación anaerobia de la materia orgánica. El reactor UASB, operando con un tiempo de retención hidráulica de 24 horas, logró remociones de DQO entre el 60 % y el 75 %, con una mayor estabilidad en los lixiviados con mayor concentración de compuestos biodegradables. Sin embargo, la remoción de nitrógeno amoniacal fue limitada, con concentraciones residuales de hasta 546.1 mg/L, lo que evidencia la necesidad de un tratamiento adicional para el cumplimiento de los estándares de descarga. El uso de microalgas como postratamiento permitió la remoción de hasta el 65 % del nitrógeno total y el 70 % del fósforo, evidenciando su potencial como una etapa final en el tratamiento de lixiviados. No obstante, su eficiencia en la eliminación de materia orgánica fue inferior a la del reactor UASB, por lo que su aplicación debe orientarse principalmente a la reducción de nutrientes y la mejora de la calidad del efluente final. Las conclusiones de este estudio confirman que la combinación de ozonización catalítica con magnetita, tratamiento anaerobio y microalgas es una alternativa viable y eficiente para el tratamiento de lixiviados de rellenos sanitarios con diferentes características. La configuración de tratamiento influye en la eficiencia global del proceso, siendo más efectiva la aplicación de ozonización catalítica como pretratamiento para facilitar la posterior degradación biológica. Se destaca la necesidad de integrar estrategias adicionales para la remoción de nitrógeno y la regeneración del catalizador, así como la evaluación de la viabilidad económica y energética del proceso para su implementación a gran escala. Desde el punto de vista científico, esta tesis contribuye al avance del conocimiento en el campo del tratamiento de lixiviados mediante el desarrollo de modelos de optimización para la ozonización catalítica, la evaluación de la estabilidad del catalizador en ciclos de reutilización, el estudio del impacto de la ozonización sobre la biodegradabilidad del lixiviado y la demostración de la sinergia entre los procesos avanzados de oxidación y los sistemas biológicos.