ES2603858A2

ES2603858A2 - Procedimiento para la eliminación de nitrógeno por vías anaeróbias

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Publication number: ES2603858A2
Application number: ES201531248A
Authority: ES
Inventors: Mª Mar MICÓ RECHE; Carme PEREZ VIZUETE; Mª Caridad DONOSO FERNANDEZ; Carlos RODRÍGUEZ LÓPEZ
Original assignee: Acciona Agua SA
Current assignee: Acciona Agua SA
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2035-09-01
Also published as: ES2603858B1; ES2603858R1

Abstract

Procedimiento para la eliminación de nitrógeno por vías anaerobias. La presente invención se refiere a un proceso de nitritación parcial anammox en biofiltros en la línea principal del agua.

Description

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PROCEDIMIENTO PARA LA ELIMINACION DE NITROGENO POR VIAS

ANAEROBIAS

DESCRIPCION

La presente invention se refiere a un proceso de nitritacion parcial anammox en biofiltros en la lmea principal del agua.

ESTADO DE LA TECNICA

Durante los ultimos anos se ha estado planteando la utilization de procesos avanzados que cumplan con requerimientos mas sostenibles para el tratamiento de aguas contaminadas. El aumento de las exigencias en la calidad del agua depurada ha provocado que el tratamiento de estas aguas, y mas concretamente de las aguas residuales comprenda no solo la elimination de la materia organica sino tambien de nutrientes como el fosforo o el nitrogeno, asociados a problemas relacionados con la eutrofizacion de los medios acuaticos que se reproducen ante el vertido a los cauces naturales de aguas insuficientemente tratadas.

Particularmente, esta eliminacion de nitrogeno puede transcurrir a traves de distintos procesos biologicos de nitritacion por los cuales el nitrogeno amoniacal es bio-oxidado a nitrato, al que le sigue la desnitrificacion que acaba convirtiendo el nitrato en nitrogeno molecular. Esta nitrification trascurre generalmente en dos etapas. En la primera de ellas, las bacterias amonio-oxidantes (AOB en sus siglas en ingles) oxidan el amonio a nitrito, mientras que en la segunda etapa, las nitrito-oxidantes (NOB) acaban generando los nitratos. Por su parte, durante el proceso, las bacterias reductoras reducen el nitrato a nitrito y este a N2.

Sin embargo, en las ultimas decadas se esta imponiendo una alternativa en la que la oxidation del amonio se detiene en el nitrito, fomentando la presencia de bacterias AOB frente a las NOB, y la siguiente reduction del nitrito a nitrogeno molecular mediante bacterias desnitrificantes. Al disminuir los requerimientos de oxidacion y reduccion, este sistema de nitritacion-desnitritacion permite reducir las necesidades de energia en un 25% en comparacion con el sistema convencional, la materia organica requerida tambien es un 40% menor, y se alcanza una reduccion del 30% de la generation de fangos.

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Particularmente, destaca el especial interes que recientemente esta despertando el proceso anammox, acronimo en ingles de oxidacion anaerobica del amonio. En este proceso las bacterias del filo Plactomycetes combinan nitrito y amonio para producir nitrogeno gas en condiciones anoxicas (reduction de un 50% del consumo de ox^geno de una desnitrificacion convencional) y sin requerir materia organica (Liang, Z. et al. Bioresour. Technol. 2011, 102, 710-715). El uso de amonio como dador de electrones para la reduccion del nitrito justifica la integration de la nitritacion parcial con lo cual se produce el sustrato adecuado para la reaction anammox posterior (Fux, C. et al. Bioact. Subst. Bioremediation Technol. 2002, 99, 295-306). De esta manera se consigue en un mismo reactor o en dos etapas separadas en tanques en serie, la eliminacion de la materia nitrogenada, constituyendo un proceso mas sostenible y productivo por la reduccion del consumo de energia y, gracias a que la bioeliminacion del nitrogeno transcurriria a traves de especies intermedias menos daninas para la capa de ozono.

Existe bibliografia de experiencias practicas en el uso de estos procesos combinados para eliminar la materia nitrogenada en plantas de tratamiento de aguas residuales reales. Sin embargo, en la mayoria de los casos el proceso se aplica en efluentes con alta carga de amonio (<500 mgL-1) y altas temperaturas (>30°C), como es el caso del rechazo del digestor o en efluentes industriales provenientes de tratamientos anaerobios que contienen escasa o nula carga organica, condiciones que no se reproducen en la lmea principal del agua y que, por lo general, ofrece condiciones desfavorables para el desarrollo de la biomasa nitritante y la biomasa anammox. Por un lado la temperatura de este efluente oscila entre los 10 y los 25°C, lejos del optimo para el crecimiento de las bacterias anammox, favorecidas a temperaturas mesofilas, y que tambien puede dificultar la selection de bacterias amonio oxidantes frente a las nitrito oxidantes. Por otro lado la lmea principal, al no haber sido sometida a la hidrolisis provocada por procesos biologicos de digestion de materia organica y al estar mas diluida, contiene bajas concentraciones amonio, lo que supone una condition especialmente limitante en el caso de las bacterias anammox. Por ultimo, la carga organica de la lmea principal es bastante alta en comparacion con efluentes ya digeridos, lo que puede suponer un problema de competition entre las bacterias autotrofas (AOB y anammox) y las heterotrofas si la relation masica entre la demanda quimica de oxigeno (COD en sus siglas en ingles) y nitrogeno es superior a la unidad, asi como un descenso en la actividad anammox.

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A pesar de estas limitaciones, hay avances que apuntan la viabilidad de esta nueva aplicacion del proceso de nitritacion parcial/anammox. Para comenzar, en relacion con la carga organica del efluente principal, algunos trabajos a nivel de laboratorio y planta piloto ya plantean procesos simultaneos de nitritacion parcial y anammox que se aplican en efluentes simulados con un ratio demanda qdmica de oxigeno (COD en sus siglas en ingles) frente a nitrogeno de 0.5 (g COD/g N), aunque en temperaturas entre 30-36°C. En el caso de Winkler (Water Res., 2012, 46, 136-44) se trabajo a 20°C con efluentes semejantes a la lmea principal de la depuradora, y se obtuvieron tasas de elimination similares a trabajos anteriores en los que el efluente a tratar era rico en amonio. En los trabajos de Kartal (Environ. Microbiol., 2007, 9, 635-642; FEMS Microbiol. Ecol., 2008, 63, 46-55) se postula que la materia organica presente en estos efluentes se elimina mediante la actividad de bacterias heterotrofas coexistentes o bien ciertas anammox readaptan su metabolismo para utilizar materia organica como dadora de electrones en el proceso de desnitrificacion, papel que normalmente desempena el amonio.

En cuanto a la problematica relacionada con la temperatura existen recientes estudios que indican que con una adaptation gradual, las bacterias anammox pueden operarse bajo condiciones de temperatura por debajo de las mesofflicas. Incluso se pudo alcanzar la estabilidad en un biorreactor en el que tienen lugar los procesos de nitritacion y anammox a 12°C (Hu et al., Appl. Environ. Microbiol., 2013, 79, 28072812).

Por otro lado, pese a las bajas concentraciones de amonio que caracterizan la lmea principal, existen estudios que indican que el flujo de nitrogeno es quizas mas importante que su concentration a la entrada. Asi para alcanzar la tasa adecuada de aporte de nitrogeno, se requiere aplicar tiempos de residencia hidraulicos cortos. Se demostro que la viabilidad de trabajar con tiempos de residencia bajos obteniendo altas tasas de eliminacion de nitrogeno a 20-30°C y una concentracion de amonio baja del efluente de entrada (31-66 mgL-1). Estos estudios parecieron concluir que una actividad espedfica mas baja anammox relacionada con temperaturas mas bajas no es necesariamente un problema, siempre y cuando la retention de biomasa sea suficiente. Ademas, los efectos negativos que podrian provocar los bajos HRT sobre la retencion de la biomasa suspendida (Hendrickx et al., Water Res., 2012, 46, 21872193), podrian paliarse con el uso de reactores basados en la tecnologia de biofiltracion.

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Precisamente los sistemas basados en biofiltros ofrecen un soporte para el desarrollo de biopeKculas que permiten una mayor retencion pese a trabajar con caudales altos. La inmovilizacion de microorganismos sobre un relleno solido consigue una alta retencion de la biomasa, lo que permite que el proceso se opere a mayores caudales y mayores cargas organicas, y a la vez favorezcan el desarrollo de microorganismos de crecimiento lento.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

Pese a las ventajas que ofrecen las caracteristicas mencionadas en el Estado de la Tecnica, para albergar el desarrollo de las bacterias anammox, enormemente sensibles a los cambios del medio y de extremadamente lento crecimiento, no existen mas que escasas referencias a la utilization de biofiltros como biorreactores anammox referidos al tratamiento de efluentes provenientes de la industria de los lacteos y la acuacultura.

En el caso concreto de biorreactores de flujo vertical, similares a los propuestos en el proyecto, existen experiencias practicas a escala laboratorio en las que los procesos de nitritacion y anammox se desarrollan en un mismo reactor. Sin embargo, la posibilidad de que las bacterias NOB, que se pueden desarrollar en detrimento de las AOB, compitan ademas con las anammox por los nitritos refuerza la necesidad de separar los dos procesos en dos reactores distintos, tal y como propone la presente invencion.

En un primer aspecto, la presente invention se refiere a un procedimiento de tratamiento de aguas que comprende las siguientes etapas:

(a) tratamiento biologico opcional;

(b) nitritacion parcial con bacterias amonio-oxidantes de la corriente de agua a tratar o la corriente obtenida en el paso (a) a una temperatura de entre 14 y 28°C, y un pH de entre 6,7 y 8,6; y

(c) oxidation anaerobica del amonio con bacterias anammox de la corriente obtenida en la etapa (b) en la lmea de agua principal a una temperatura de entre 14 y 28°C, y un pH de entre 7,0 y 8,6;

caracterizado por que las etapas (b) y (c) tienen lugar en reactores diferentes, y por que las bacterias anammox utilizadas en la etapa (c) estan depositadas en biofiltros de arcilla expandida.

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Se entiende por “arcilla expandida” un arido ceramico de gran ligereza obtenido de la expansion a altas temperaturas de arcillas naturales especiales, caracterizado por una densidad comprendida del material que oscila entre los 325 kg/m3 y los 900 kg/m3. Preferiblemente, las arcillas empleadas presentan una densidad de entre 750 a 900 kg/m3 y mas preferiblemente de entre 840 a 880 kg/m3.

En una realization preferida, la corriente de agua a tratar se somete a un tratamiento primario, preferiblemente decantation, donde se obtiene una fase compuesta por agua, que tiene una concentration de nitrogeno total (NTK) de unos 40-70 ppm, y otra de materia organica. A continuation la fase acuosa se somete a un tratamiento biologico, para principalmente eliminar esta materia organica. La NTK a la salida de este tratamiento esta entre 35-65 ppm.

Se entiende por “tratamiento biologico” cualquier proceso empleado para eliminar materia organica, esto es, procesos aerobicos de fangos activos de media carga, biofiltracion, procesos de biopelicula con soportes moviles MBBR, procesos anaerobicos UASB, reactores anaerobicos de membrana, etc.

Esta disposition permite que la aireacion requerida en tratamiento biologico y en tratamiento con biofiltros sea menor a la requerida con el proceso convencional.

A continuacion, los lodos generados en el tratamiento biologico, juntamente con la fase de materia organica obtenida en el decantador del tratamiento primario se llevan a la lmea de fangos. De la deshidratacion de fangos se obtiene un escurrido de centrifuga que tiene una concentracion de nitrogeno de unos 500 a 1100 ppm, siendo el valor superior tipico de 1000 ppm (lo que supone entre un 15-20% de todo el nitrogeno). Ese escurrido se lleva a un reactor donde tiene lugar la nitritacion parcial con bacterias amonio-oxidantes y posteriormente a otro reactor diferente que contiene bacterias anammox. El efluente de este segundo tanque, que tiene una concentracion de nitrogeno de unos 30 a 50 ppm, se lleva al tratamiento biologico, junto con el agua que se obtiene del tratamiento primario.

Por lo tanto, en otra realizacion preferida, los fangos obtenidos en el tratamiento biologico se llevan a la lmea de fangos, y son tratados siguiendo las siguientes etapas: (a) deshidratacion de fangos;

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(b) nitritacion parcial y oxidacion anaerobica del amonio del escurrido de la deshidratacion de fangos, segun las condiciones definidas anteriormente.

En otra realization mas preferida, el efluente de la nitritacion parcial y anammox del escurrido de la deshidratacion de fangos se recircula al tratamiento biologico de la lmea principal de aguas.

En la actualidad, se esta trabajando con volumen del lecho para la oxidacion anaerobica de amonio calculado de 0,01195 m3, con caudales de 15-16 l/h, lo que esta dando unas tasas de elimination de 1,8-2,5 kg N elim/(m3lecho d).

Estos numeros, comparados con los que la bibliografia especializada utilizada para el diseno de biofiltros de desnitrificacion (WEF Manual of Practice No. 35, 2010), muestran la mejora que aportan los biofiltros de desnitrificacion anammox empleados en la presente invention, superando las expectativas marcadas por los biofiltros de desnitrificacion convencional, no habiendose alcanzado hasta la fecha el limite tecnico de los mismos.

Como ventaja adicional, entre los periodos de limpieza, no solo se acumula biomasa anammox en los intersticios del material arcilloso, tambien se acumula en la superficie del lecho una capa de unos 3-6 cm de grosor de fango de configuration granular, de marcado color rojo-anaranjado caracteristico de la biomasa anammox, que puede ser utilizado para inoculation o bioaugmentacion de otros reactores que necesiten este tipo de bacterias.

Por lo que, en otra realizacion preferida, las bacterias del tanque anammox de la lmea de fangos se utilizan para la siembra de reactores donde tiene lugar la reaction la etapa de oxidacion anaerobica del amonio.

A lo largo de la description y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras caracteristicas tecnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y caracteristicas de la invencion se desprenderan en parte de la descripcion y en parte de la practica de la invencion. El siguiente ejemplo se proporciona a modo de ilustracion, y no se pretende que sea limitativo de la presente invencion.

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EJEMPLOS

A continuation se ilustrara la invention mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de manifiesto la efectividad del producto de la invencion.

Ejemplo 1.

Se ha alimentado un caudal de 10-16 l/h, en continuo, desde un deposito de 1000 L, donde se prepara periodicamente el agua influente, utilizando agua de servicio de la EDAR donde se situa la instalacion experimental, y anadiendo las proporciones de sales necesarias (NH4Cl, NaNO2, NaHCO3), para que el agua influente tenga las siguientes caracteristicas.

- Amonio entrada: 30-40 mg N/l

- Nitrito de entrada: 35-49 mg N/l

- Alcalinidad 80-110 mg CaCO3/l

- pH: 7,00-7,60

Al utilizar agua de servicio, las necesidades de otros micronutrientes que necesita la microbiologia del proceso estan cubiertas.

El biofiltro alimentado es una tuberia de material polimerico con las siguientes dimensiones:

- Diametro: 0,13 m

- Altura lecho: 0,90 m

- Superficie calculada: 0,01327 m2

- Volumen del lecho calculado: = nr^h = n(0,13/2)20.90 = 0.01195 m3

El lecho es un material arcilloso (Filtralite® HC 2,5-5 y Filtralite® HR 4-8), donde inicialmente se inoculo bacterias anammox desprendidas de una biopelicula anammox de sistema de tratamiento de agua de retornos de digestion. La inoculation consistio en la adicion de unos 5 litros de agua con una concentration de unos 2000-3000 mg/l de solidos que contienen en su mayor porcentaje bacterias de la familia anammox.

Despues de un periodo de aclimatacion y distribution a lo largo del lecho de material arcilloso, se observo una elimination de amonio-nitrito cada vez mas intensa, manteniendo esa eliminacion una relation estequiometrica (mg N-NO2 elim./mg N-NH4

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elim.) en el entorno habitual de este proceso (1,0-1,4, siendo 1,3 de media), acompanado de la consecuente aparicion de nitratos (NO3-), tambien caracteristica de este proceso.

Durante ciertos periodos de tiempo relacionados con la aparicion de materia organica en el agua influente, es decir DQO, se midieron unas cantidades de nitrato inferiores a las esperadas por estequiometria, asociandose este hecho a la aparicion de procesos de desnitrificacion convencional.

Se inicio, una vez detectada la actividad anammox, la experimentacion con un caudal de alimentacion en torno a 10 l/h. Se continuo con esta alimentacion hasta que se detecto la completa elimination de los sustratos (amonio y nitrito). Esta completa desaparicion indica que aun no se ha llegado al limite de capacidad del biofiltro, con lo cual se opto por aumentar la cantidad de agua influente para buscar este limite de capacidad.

La carga eliminada de los biofiltros se calcula dividiendo la cantidad de nitrogeno eliminado a lo largo de un dia de operation, dividido por el volumen del lecho.

De esta manera, en el inicio de la experimentacion se consiguieron valores de 1,2-1,3 kg N elim/(m3lecho.d) llegando a tasas de eliminacion de 1,8-2,0 kg N elim/(m3 lecho.d) con caudales de 15-16 l/h.

Estos filtros con estas cargas necesitan un contralabado para eliminar la colmatacion cada 4-5 dias, funcionando a una carga superficial de unos 1,1 m3/m2 h, con lo que queda aun margen para poder aumentar la alimentacion de los mismos.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de tratamiento de aguas que comprende las siguientes etapas:

(a) tratamiento biologico opcional;

(b) nitritacion parcial con bacterias amonio-oxidantes de la corriente de agua a tratar o la corriente obtenida en el paso (a) a una temperatura de entre 14 y 28°C, y un pH de entre 6,7 y 8,6; y

(c) oxidacion anaerobica del amonio con bacterias anammox de la corriente obtenida en la etapa () a una temperatura de entre 14 y 28°C, y un pH de entre 7.0y 8,6;

caracterizado por que las etapas (b) y (c) tienen lugar en reactores diferentes, y por que las bacterias anammox utilizadas en la etapa (c) estan depositadas en biofiltros de arcilla expandida.
2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, donde el tratamiento biologico de la etapa (a) se seleccionan independientemente de la lista que comprende procesos aerobicos de fangos activos de media carga, biofiltracion, procesos de biopelmula con soportes moviles MBBR, procesos anaerobicos UASB, y reactores anaerobicos de membrana.
3. Procedimiento segun la reivindicacion 2, donde los fangos obtenidos en el tratamiento biologico se llevan a la lmea de fangos y son tratados siguiendo las siguientes etapas:

(a) deshidratacion de fangos;

(b) nitritacion parcial y oxidacion anaerobica del amonio del escurrido de la deshidratacion de fangos, segun las condiciones definidas en la reivindicacion 1, resultando un efluente que tiene una concentration de nitrogeno comprendida entre 30 a 50 ppm.
4. Procedimiento segun la reivindicacion 3, donde el efluente resultante de la etapa (b) se recircula al tratamiento biologico definido en la reivindicacion 2.
5. Procedimiento segun la reivindicacion 3, donde las bacterias del tanque anammox de la lmea de fangos se utilizan para la siembra de reactores donde tiene lugar la etapa (c) de la reivindicacion 1.