ES2334321B1 - Procedimiento para la nitrificacion parcial en continuo de aguas residuales e instalacion correspondiente. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la nitrificación parcial en
continuo de aguas residuales e instalación correspondiente. La
presente invención describe un tipo de control automático destinado
al tratamiento de un agua residual rica en amonio para su oxidación
a nitrito (es decir, nitrificación parcial) en reactores que operan
en continuo con la biomasa inmovilizada en forma de biopelícula. El
control automático comprende un lazo cerrado de control que, a
partir de una consigna do valor máximo de amonio a la salida del
reactor, regula el caudal de entrada en el reactor en función de la
concentración de amonio a la salida del reactor. El control
automático puede incluir también un lazo de control, abierto o
cerrado, del oxígeno en el reactor, regulando un sistema de
aireación, a partir de una consigna que es función de la
concentración de oxígeno y de amonio en el reactor.
Description
Procedimiento para la nitrificación parcial en
continuo de aguas residuales e instalación correspondiente.
La invención se refiere a un procedimiento para
la nitrificación parcial en continuo de aguas residuales en un
reactor de biopelícula que comprende microorganismos oxidantes de
amonio y con un sistema de aireación, y la instalación
correspondiente.
En general se trata de aguas residuales con una
concentración elevada de nitrógeno amoniacal.
En la patente
EP-A-826639 se describe un
tratamiento de aguas residuales que contengan amonio mediante
bacterias nitrificantes, en el que el amonio se oxida
principalmente a nitrito (es decir nitrificación parcial) en un
reactor continuo de tanque agitado sin retención de biomasa y
ajustando el tiempo de residencia hidráulico a 1,5 días. En estas
condiciones las bacterias o, en general, los microorganismos que
convierten el amonio a nitrito (usualmente denominados AOB, del
inglés ammonium oxidizing bacteria) tienen una velocidad de
crecimiento suficiente para compensar la pérdida de biomasa debida
al flujo continuo del reactor, mientras que las bacterias (o, en
general, los microorganismos) que convierten el nitrito a nitrato
(usualmente denominados NOB, del inglés nitrite oxidizing bacteria)
no crecen a la suficiente velocidad para que se mantengan en el
reactor. Como resultado, se elimina la conversión de nitrito a
nitrato, lo cual es ventajoso porque permite reducir el consumo de
oxígeno y la demanda química de oxígeno (DQO) en un proceso
posterior de desnitrificación. Este proceso se denomina SHARON
(Single reactor High activity Ammonium Removal Over Nitrite).
Otros procedimientos de tratamiento de este tipo de aguas residuales
se describen en:
- Fux C, Huang D, Monti A,
Siegrist H 2004. Difficulties in maintaining
long-term partial nitrification of
ammonium-rich sludge digester liquids in a
moving-bed biofilm reactor. Water Science and
Technology
49(11-12):53-60.
- Van Loosdrecht M C M, Salem S
2006. Biological treatment of sludge digester liquids.
Water Science and Technology
53(12):11-20.
- N. Bernet, O. Sánchez, D.
Cesbron, J.-P. Steyer, J.-P. Delgenès
2005. Modeling and control of nitrite accumulation in a
nitrifying biofilm reactor. Biochemical Engineering Journal
24: 173-183.
El proceso SHARON tiene como principal
inconveniente que es un sistema sin retención de biomasa,
limitándose la capacidad de degradación volumétrica (por unidad de
volumen de reactor), y por tanto resultando en reactores con elevado
volumen.
La invención tiene por objeto superar estos
inconvenientes. Esta finalidad se consigue mediante un
procedimiento del tipo indicado al principio caracterizado porque
realiza un lazo cerrado de control que regula el caudal de entrada
en dicho reactor en función de la concentración de amonio a la
salida de dicho reactor.
Efectivamente el procedimiento de acuerdo con la
invención se caracteriza porque la variable a controlar es la
concentración de amonio a la salida del reactor y se controla
mediante la indicación de un valor objetivo de amonio a la salida
del reactor y la regulación del caudal de entrada en el reactor
para alcanzar este valor objetivo. Además, se utiliza un reactor de
biopelícula para retener la biomasa. Este procedimiento es
totalmente novedoso ya que los procedimientos convencionales
emplean otras técnicas de control, usualmente basadas en el control
del oxígeno en disolución, del pH, etc. Por ejemplo, el citado
procedimiento SHARON no puede emplear el caudal de entrada (que
tiene una consecuencia directa sobre el tiempo de residencia) para
ajustar la concentración de amonio ya que su tiempo de residencia
determina la concentración de nitrato. Por su parte, en los
reactores de biopelícula utilizados para la nitrificación parcial
descritos (Fux et al., 2004; van Loosdrecht y Salem, 2006)
aparece nitrato en el efluente. Con la presente invención se ha
conseguido desarrollar un sistema que permite obtener un efluente
con concentraciones elevadas de nitrito y concentraciones muy bajas
de nitrato mientras que la concentración de amonio en el efluente
es muy baja y además controlada.
La biopelícula es una forma de retener la
biomasa que estar sobre un soporte, como por ejemplo carbón activo,
pero que también puede estar presente sin necesidad de ningún
soporte, como por ejemplo en forma de gránulos.
En general, la concentración de amonio realmente
de interés es la concentración de amonio a la salida del reactor.
Sin embargo ello no quiere decir que el punto de lectura de la
concentración de amonio tenga que estar necesariamente de una forma
física a la salida del reactor. Si el reactor presenta una buena
agitación, la concentración de amonio se homogeneiza muy
rápidamente, por lo que es posible que el punto de lectura de la
concentración de amonio esté en el interior del reactor, en
particular si está en un lugar próximo a la salida. Por ello, cuando
se dice "la concentración de amonio a la salida del reactor"
debe entenderse que la lectura se realiza en algún punto que, o
bien sea substancialmente igual a la que se obtendría si
físicamente se hiciese a la salida del reactor o que, por lo menos,
guarda una relación directa con la concentración a la salida, de
manera que un cálculo corrector permita obtener la concentración a
la salida a partir de dicha lectura.
Preferentemente se realiza, adicionalmente, un
lazo abierto de control que regula el sistema de aireación en
función de la concentración de oxígeno en el reactor y de la
concentración de amonio en el reactor. Efectivamente se ha observado
que el procedimiento de la invención es particularmente eficaz si
la concentración de oxígeno en el reactor guarda una cierta
proporción con la concentración de amonio en el reactor. De esta
manera se consigue reducir a un mínimo la concentración de nitrato
a la salida del reactor, manteniendo sin embargo una elevada
conversión del amonio a nitrito. De esta manera el procedimiento
permite la regulación independiente de la concentración de amonio a
la salida del reactor y de la concentración de nitrato a la salida
del reactor. Los resultados obtenidos muestran una gran constancia
en los valores de las concentraciones obtenidos, de tal manera que
el sistema de aireación puede funcionar simplemente con un lazo
abierto de control del oxígeno disuelto. Sin embargo, si el control
del oxígeno disuelto se realiza mediante un lazo cerrado, se
consigue mejorar aún más la eficiencia del sistema.
Idealmente, se calcula la señal de consigna del
lazo de control del oxígeno a partir de la señal de la
concentración de amonio real a la salida del reactor. Sin embargo,
debido precisamente a la elevada estabilidad del sistema, es posible
calcular la señal de consigna del lazo de control empleando la
señal de consigna del lazo de control del amonio, ya que las
diferencias entre el valor de consigna de amonio y el valor real
son prácticamente despreciables.
Ventajosamente se alimenta el reactor con un
caudal de agua residual con una concentración de amonio superior a
100 mg/l. Efectivamente, este procedimiento es particularmente
adecuado para el tratamiento de aguas residuales ricas en
amonio.
Preferentemente se ajusta la concentración de
oxígeno disuelto en el reactor de manera que la relación entre la
concentración de oxígeno disuelto y la concentración de amonio es
menor de 0,35, y preferentemente está comprendida entre 0,15 y
0,25. Efectivamente unas relaciones menores, que significan unas
bajas concentraciones de oxígeno, hacen que el reactor sea
ineficiente, ya que se requeriría un gran tiempo de residencia para
conseguir los valores de concentración de amonio fijados. Sin
embargo, unas relaciones mayores provocan un rápido incremento de
la concentración de nitrato a la salida del reactor.
Ventajosamente se ajusta el pH en el reactor
entre 6 y 9, preferentemente entre 6,5 y 8,5. Asimismo es ventajoso
que la temperatura del reactor esté comprendida entre 15ºC y 40ºC.
Como puede verse el nuevo procedimiento tiene la ventaja de que
permite una mayor flexibilidad en los rangos de pH y, sobre todo, en
los rangos de temperatura.
La invención también tiene por objeto una
instalación para la nitrificación parcial en continuo de aguas
residuales, preferentemente con una concentración elevada de
nitrógeno amoniacal (superior a 100 mg/l) que comprende un reactor
de biopelícula, el sistema comprendiendo microorganismos oxidantes
de amonio, y con un sistema de aireación, caracterizado porque
comprende un lazo cerrado de control que, a su vez, comprende unos
medios de cuantificación de la concentración de amonio, unos medios
de regulación del caudal de entrada al reactor y unos medios de
control aptos para actuar sobre los medios de regulación del caudal
de entrada en función de una señal de control recibida de los
medios de cuantificación de la concentración de amonio.
Preferentemente la instalación comprende un
segundo lazo de control que, a su vez, comprende unos medios de
regulación del sistema de aireación, y unos segundos medios de
control aptos para actuar sobre los medios de regulación del
sistema de aireación en función de una segunda señal de control
recibida de los medios de cuantificación de la concentración de
amonio.
En la presente descripción y reivindicaciones
siempre que se menciona la concentración de amonio, nitrito o
nitrato se debe entender como expresada como la concentración de
nitrógeno en forma de amonio, nitrito o nitrato, respectivamente.
Asimismo, al mencionar la concentración de oxígeno, se debe entender
que se refiere a la concentración de oxígeno disuelto en el
agua.
El procedimiento de la presente invención ha
sido denominado ANFIBIO (del inglés Automatic coNtrol for partial
nitriFIcation to nitrite in BIOfilm reactors).
Otras ventajas y características de la invención
se aprecian a partir de la siguiente descripción, en la que, sin
ningún carácter limitativo, se relatan unos modos preferentes de
realización de la invención, haciendo mención de los dibujos que se
acompañan. Las figuras muestran:
Fig. 1, diagrama de bloques de un lazo de
control de acuerdo con la invención.
Fig. 2, evolución a lo largo del tiempo
(expresado en días) de las concentraciones de:
TAN = NH_{4}^{+} + NH_{3} concentración
total de nitrógeno en forma de amonio,
TNN = NO_{2}^{-} + HNO_{2} concentración
total de nitrógeno en forma de nitrito,
N-NO^{-}_{3} = concentración
de nitrógeno en forma de nitrato,
medidas a la salida del reactor,
y de la carga específica (NLR, del inglés
nitrogen loading rate).
\vskip1.000000\baselineskip
En la Fig. 1 se muestra un diagrama de bloques
de un lazo de control implementado para conseguir y mantener la
nitrificación parcial a nitrito en el reactor de biopelícula
operando en continuo. Las referencias son:
- 1,
- consigna de concentración de amonio en el reactor;
- 2,
- controlador;
- 3,
- bomba de caudal de entrada en el reactor;
- 4,
- reactor de nitrificación de biopelícula;
- 5,
- sensor de concentración de amonio;
- 6,
- concentración de amonio en el reactor controlada.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
1
El reactor utilizado fue un reactor de tipo
air-lift con volumen 100 L con carbón activo
como soporte para el desarrollo de la biopelícula. Además, el carbón
activo indujo la granulación y como resultado se obtuvo un reactor
con biopelícula de dos tipos: granular y sobre el carbón activo. El
agua a tratar fue sintética con la siguiente composición (mg
L^{1}): CH_{3}COONa (48,0), CaCl_{2}\cdot2H_{2}O (3,0),
KH_{2}PO_{4} (13,0), NaCl (9,0), MgCl_{2}\cdot7H_{2}O
(6,0), FeSO_{4}\cdot7H_{2}O (0,13), MnSO_{4}\cdotH_{2}O
(0,1), ZnSO_{4}\cdot7H_{2}O (0,13),
CuSO_{4}\cdot5H_{2}O (0,07), H_{3}BO_{3} (0,007). La
concentración de amonio del agua residual fue de aproximadamente
1200 mgN-NH_{4}^{+} L^{-1}. Se utilizaron
lodos activos de una estación depuradora de aguas residuales (EDAR)
urbana. Las condiciones de operación del reactor fueron: 30ºC de
temperatura y un pH de 8,2. La consigna utilizada de amonio en el
reactor fue de 20 mg N-NH_{4}^{+} L^{-1}. La
concentración de oxígeno disuelto ([DO]) se mantuvo entre 3 y 5 mg
L^{-1} con un lazo de control abierto. Por lo tanto, la relación
R entre la concentración de oxígeno disuelto en agua y la
concentración de amonio es de 0,25, 0,25\cdot20=5 mgO_{2}
L^{-1}).
Con las condiciones descritas para la operación
del reactor, se obtuvo una oxidación del 97% del amonio de entrada
hasta nitrito de forma estable y durante más de 60 días de
operación en modo continuo. Las concentraciones de nitrato fueron
muy bajas, inferiores a 40 mg N-NO_{3}^{-}
L^{-1}. El caudal volumétrico alimentado alcanzó durante este
periodo de aproximadamente 130 L día^{-1}. La concentración de
biomasa alcanzada, medida en sólidos en suspensión volátiles (SSV),
fue de 3,2 gSSV L^{-1}.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
2
El reactor utilizado fue un reactor de tipo
air-lift con volumen 100 L en el que la
biomasa se retenía en forma de gránulos (biopelícula sin soporte, es
decir sin carbón activo). El agua a tratar fue sintética con la
misma composición que la detallada en el ejemplo 1 ya descrito. La
concentración de amonio del agua residual fue de aproximadamente
1200 mgN-NH_{4}^{+} L^{-1} al igual que en el
ejemplo 1. Se utilizaron lodos activos de una EDAR urbana. Las
condiciones de operación del reactor fueron: 30ºC de temperatura y
un pH de 8,2. La consigna utilizada de amonio en el reactor fue de
20 mg N-NH_{4}^{+} L^{-1}. La concentración de
oxígeno disuelto ([DO]) se mantuvo entre 3 y 5 mg L^{-1} con un
lazo de control abierto (R=0,25, 0,25\cdot20=5 mgO_{2}
L^{-1}).
Con las condiciones descritas para la operación
del reactor, se obtuvo una oxidación del 97% de conversión de
amonio a nitrito de forma estable y durante más de 60 días de
operación en modo continuo. Las concentraciones de nitrato fueron
muy bajas, inferiores a 40 mg N-NO_{3}^{-}
L^{-1}. El caudal volumétrico alimentado alcanzó durante este
periodo de aproximadamente 100 L día^{-1}. La carga específica
alcanzada fue de 0,65 gN-NH_{4}^{+} g^{-1}SSV
d^{-1}.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
3
El reactor utilizado fue un reactor de tipo
air-lift con volumen 100 L con carbón activo
como soporte para el desarrollo de la biopelícula. Además, el carbón
activo indujo la granulación y como resultado se obtuvo un reactor
con biopelícula de dos tipos: granular y sobre el carbón activo. El
agua a tratar fue sintética con la misma composición que la
detallada en el ejemplo 1 ya descrito. La concentración de amonio
del agua amoniacal fue de aproximadamente 1200
mgN-NH_{4}^{+} L^{-1}. Se utilizaron lodos
activos de una EDAR urbana. Las condiciones de operación del
reactor fueron: 20ºC de temperatura y un pH de 8,2. La consigna
utilizada de amonio en el reactor fue de 20 mg
N-NH_{4}^{+} L^{-1}. La concentración de
oxígeno disuelto ([DO]) se mantuvo a 5 mgO_{2} L^{-1} con un
lazo de control cerrado (R= 0,25, 0,25.20=5 mgO_{2} L^{-1}).
Con las condiciones descritas para la operación
del reactor, se obtuvo una oxidación del 99% de conversión de
amonio a nitrito de forma estable y durante más de 30 días de
operación en modo continuo. Las concentraciones de nitrato fueron
muy bajas, inferiores a 10 mg N-NO_{3}^{-}
L^{-1}. El caudal volumétrico alimentado alcanzó durante este
periodo de aproximadamente 40 L\cdotdía^{-1}. La carga
específica alcanzada fue de 0,54 gN-NH_{4}^{+}
g^{-1}SSV d^{-1}.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
4
El reactor utilizado fue un reactor de tipo
air-lift con volumen 100 L en el que la
biomasa se retenía en forma de gránulos (biopelícula sin soporte, es
decir sin carbón activo). El agua a tratar fue sintética con la
misma composición que la detallada en el ejemplo 1 ya descrito. La
concentración de amonio del agua amoniacal fue de aproximadamente
1200 mgN-NH_{4}^{+} L^{-1}, al igual que en el
ejemplo 1. Se utilizaron lodos activos de una EDAR urbana. Las
condiciones de operación del reactor fueron: 30ºC de temperatura y
un pH de 8,2. La consigna utilizada de amonio en el reactor y la
concentración de oxígeno disuelto se variaron para comprobar la
eficacia del sistema de control (ambos lazos de control cerrados).
Para ello se utilizaron las siguientes consignas: A: [DO]=5 mg
O_{2} L^{-1} [N-NH_{4}^{+}]=30 mg
N-NH_{4}^{+} L^{-1}, R= 0,17; B: [DO]=7 mg
O_{2} L^{1}, [N-NH_{4}^{+}]=20 mg
N-NH_{4}^{+} L^{-1}, R=0,35; C: [DO]=5 mg
O_{2} L^{-1}, [N-NH_{4}^{+}]=20 mg
N-NH_{4}^{+} L^{-1}, R=0,25; D: [DO]=7 mg
O_{2} L^{-1}, [N-NH_{4}^{+}]=40 mg
N-NH_{4}^{+} L^{-1}, R=0,18. Es decir, se
modificó la relación entre la concentración de oxígeno disuelto y
la concentración de amonio R =
[DO]/[N-NH_{4}^{+}]. Los resultados se muestran
en la Fig. 2
Con las condiciones descritas, cuando la
relación de la consigna de oxígeno disuelto no superó
0,25\cdot[N-NH_{4}^{+}]_{SP}
(es decir en los casos A, C y D de la figura adjunta), se obtuvo
una oxidación del 98% de conversión de amonio a nitrito de forma
estable operando en continuo. Las concentraciones de nitrato fueron
además muy bajas, inferiores a 10 mg
N-NO_{3}^{-} L^{-1}. La carga específica
máxima alcanzada fue de 1,6 gN-NH_{4}^{+}
g^{-1}SSV d^{-1}, correspondiente a un caudal volumétrico de
aproximadamente 100 L día^{-1}.
Claims (9)
1. Procedimiento para la nitrificación parcial
en continuo de aguas residuales en un reactor de biopelícula que
comprende microorganismos oxidantes de amonio y con un sistema de
aireación caracterizado porque realiza un lazo cerrado de
control que regula el caudal de entrada en dicho reactor en función
de la concentración de amonio a la salida de dicho reactor.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se realiza, adicionalmente, un lazo
abierto de control que regula dicho sistema de aireación en función
de la concentración de oxígeno en dicho reactor y de la
concentración de amonio en dicho reactor.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se realiza, adicionalmente, un lazo
cerrado de control que regula dicho sistema de aireación en función
de la concentración de oxígeno en dicho reactor y de la
concentración de amonio en dicho reactor.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se alimenta
dicho reactor con un caudal de agua residual con una concentración
de amonio superior a 100 mg/l.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se ajusta la
concentración de oxígeno disuelto en dicho reactor de manera que la
relación entre la concentración de oxígeno disuelto y la
concentración de amonio es menor de 0,35, y preferentemente está
comprendida entre 0,15 y 0,25.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se ajusta el pH
en dicho reactor entre 6 y 9, preferentemente entre 6,5 y 8,5.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la temperatura
de dicho reactor está comprendida entre 15ºC y 40ºC.
8. Instalación para la nitrificación parcial en
continuo de aguas residuales que comprende un reactor de
biopelícula, dicho sistema comprendiendo microorganismos oxidantes
de amonio, y con un sistema de aireación, caracterizado
porque comprende un lazo cerrado de control que, a su vez,
comprende unos medios de cuantificación de la concentración de
amonio, unos medios de regulación del caudal de entrada a dicho
reactor y unos medios de control aptos para actuar sobre dichos
medios de regulación del caudal de entrada en función de una señal
de control recibida de dichos medios de cuantificación de la
concentración de amonio.
9. Instalación según la reivindicación 8,
caracterizado porque comprende un segundo lazo de control
que, a su vez, comprende unos medios de regulación de dicho sistema
de aireación, y unos segundos medios de control aptos para actuar
sobre dichos medios de regulación de dicho sistema de aireación en
función de una segunda señal de control recibida de dichos medios
de cuantificación de la concentración de amonio.
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| ES200901432A ES2334321B1 (es) | 2009-06-11 | 2009-06-11 | Procedimiento para la nitrificacion parcial en continuo de aguas residuales e instalacion correspondiente. |
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| ES200901432A ES2334321B1 (es) | 2009-06-11 | 2009-06-11 | Procedimiento para la nitrificacion parcial en continuo de aguas residuales e instalacion correspondiente. |
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- 2009-06-11 ES ES200901432A patent/ES2334321B1/es active Active
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