WO2012013829A1 - Sistema y procedimiento para el tratamiento de aguas - Google Patents

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Carlos RODRÍGUEZ LÓPEZ
Crístina HERNÁNDEZ ROMERO
Luís LARREA URCOLA
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Definitions

  • the object of the invention relates to a process for removing ammonia from wastewater that comes from drains in urban WWTPs.
  • the present invention proposes an original procedure both in the principles for a simpler nitrogen removal system (complete nitrification and denitrification with methanol) and in the automatic control procedure.
  • the object of the invention uses 4 separate units.
  • a retention tank to limit the discontinuous flow of wastewater from drains that can have very different models from one installation to another. In this way, the flow rate to the pre-denitrification reactor (Q fed) is continuous and is regulated by the automatic control system.
  • the retention reservoir also serves as a settler to remove suspended solids.
  • a pre-denitrification reactor designed to remove (in gaseous nitrogen) all the recirculated nitrites from the nitrification reactor (Qrint). Denitrification is mainly caused by the dosage of a carbon source (Qc). In some facilities, wastewater contains soluble biochemical oxygen demand (BOD) from other units in the sludge duct and can be used for pre-denitrification, thus reducing the dosage of the carbon source.
  • BOD biochemical oxygen demand
  • the use of predesnitrification instead of postdesnitrification allows the elimination of influent BOD when it is present, thus preventing the inhibition of ammonium oxidants (XNH) in the posterior aerated biofilm. Therefore, higher and more stable nitrification speeds can be achieved.
  • a nitrification reactor performs the stable transformation of ammonium to nitrite only because nitrite oxidizers (XNO) are removed by regular washing of the system by means of a suitable robust control system.
  • XNO nitrite oxidizers
  • the use of separate units for denitrification and nitrification allows for optimal control.
  • the ammonium oxidants (XNH) and the heterotrophic biomass (XH) for denitrification can be located both in the biofilm of the supports and in suspension.
  • a settler allows a robust automatic system and aims to clarify the inflow of suspended solids and obtain a thickened sludge.
  • Figure 1 represents a diagram of the system of the invention and its parts.
  • the system (1) of the invention obtains wastewater from a drain that is stored and limited by disturbance in a retention deposit (2);
  • the discontinuous flow of sewage from the drains may be different from one facility to another.
  • the flow rate [Q fed] that reaches an anoxic pre-denitrification reactor (3) is continuous and is regulated by an automatic control system (6).
  • the pre-denitrification reactor (3) is designed to remove [in gaseous nitrogen] all recirculated nitrites from a nitrification reactor (4) [Qrint]. Denitrification is mainly caused by the dosage of a carbon source [Qc]. In some facilities, wastewater contains biochemical oxygen demand [BOD] from other units in the sludge duct and could be used for pre-denitrification, thus reducing the dosage of the carbon source.
  • BOD biochemical oxygen demand
  • the use of pre-denitrification instead of post-denitrification allows the elimination of the influent's BOD if there is one, thus avoiding the inhibition of ammonium oxidants [XNH] in the subsequent aerated biofilm. Therefore, higher and stable nitrification rates can be achieved.
  • the nitrification reactor (4) performs the stable transformation of ammonium into nitrite only because nitrite oxidants [XNO] are removed by regular washing of the system by a suitable robust control system.
  • Ammonium oxidants [XNH] and heterotrophic biomass [XH] for denitrification can be located both in the biofilm of the supports and in the suspension.
  • a settler (5) allows a robust automatic system (1) and aims to clarify the inflow of suspended solids and obtain a thickened sludge.
  • the use of a settler (5) provides different operating alternatives.
  • the settler (5) is located at the end of the system (1) and does not use sludge recirculation to the pre-denitrification reactor (3). Therefore, the concentration of suspended solids will be relatively low [200-500 mg / l]. Denitrification and nitrification will take place both in the biofilm of the supports and in suspension.
  • sludge recirculation is used in order to increase the concentration of suspended solids and the corresponding denitrification and nitrification rates.
  • washing separation of XNO is more difficult since the retention time of solids [TRS] increases.
  • the settler (5) is located between the reactors (3,4), with the sludge recycled to the pre-denitrification reactor (3). Therefore, the rate of denitrification can be relatively high and better guarantee nitrification.
  • the inflow of suspended solids to the settler (5) is very high due to the high internal recirculation flow, which therefore demands a larger surface area for the settler (5).
  • the automatic control system (6) involves the following strategies, taking into account that the automatic control system (6) of the system (1) is based on the use of (NH 4 + , NO2 " and NO3 " ) as nutrient analyzers, based on sensors placed throughout the system, preferably in the reactors (3, 4):
  • the dissolved oxygen adjustment value is automatically modified according to:
  • the [Q fed] is manipulated according to the measurements of N-NH 4 + in the nitration reactor (4) and the adjustment value of N-NH 4 +
  • the Qc [external carbon flow rate] is automatically manipulated so that the measurements of N-NO 2 " in the prenitration reactor (3) follow a preset level of N-NO 2 " [setting value of N-NO 2 " in the prenitration reactor (3)]

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Abstract

La invención se refiere a un procedimiento robusto para la eliminación biológica de amonio, específicamente aplicado a las aguas residuales de la corriente de retorno del desagüe de fangos digeridos en EDAR urbanas, por implementación en la línea de sensores de amonio, nitrito y nitrato, en un sistema que comprende las siguientes unidades: un depósito de retención en el que se almacenan las aguas residuales; un depósito anóxico para la predesnitrificación usando una fuente externa que contiene carbono con biomasa, tanto en Ia biopelícula como en suspensión; un depósito aireado para Ia nitrificación en Ia biopelícula y en suspensión y recirculación al depósito anóxico; y un depósito de sedimentación para la clarificación del efluente y recirculación de fangos, si conviene. El diseño del sistema y los controladores se basan en un modelo calibrado.

Description

SISTEMA Y PROCEDIMIENTO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS
Descripción
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención se refiere a un procedimiento para eliminar amonio de aguas residuales que vienen de desagües en las EDAR urbanas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Tradicionalmente, la eliminación de nitrógeno de las aguas residuales urbanas se lleva a cabo por procedimientos de predesnitrificación-nitrificación completos con biomasa en suspensión (reacciones 1 y 2). La robustez de su funcionamiento se ha mostrado en la EDAR de Galindo, en la que se aplican sensores de amonio y nitrato en línea en el procedimiento de fangos activos, el tratamiento secundario de la tubería de agua (Ayesa y col., 2006).
Nitrificación: NH4 + + 202→ N03 " + H20 + 2H+ (Reacción 1 )
Etapa 1 Nitrificación: NH4 + + 1 ,502→ N02 " + H20 + 2H+ por oxidantes de amonio XNH (Reacción 1a)
Etapa 2 Nitración: N02 " + 0,5O2→ NO3" por oxidantes de nitrito XNO
(Reacción 1 b)
Desnitrificación;
6NO3" + 5CH3OH→ 3N2 + 5C02 + 7H20 + 60H" por biomasa heterotrófica (XH) (Reacción 2)
Etapa 1 : 6NO3" + 2CH3OH→ 6N02 " + 2C02 + 4H20 (Reacción 2a) Etapa 2: 6N02 " + 3CH3OH→ 3N2 + 3C02 + 3H20 + 60H" (Reacción 2b) Para la nitrificación de las aguas residuales de retorno ricas en amonio a altas temperaturas (25-35°C), actualmente es factible la nitrificación parcial (nitritación), produciendo nitrito mediante oxidantes de amonio (XNH) (Reacción 1a) y solo un poco de nitrato, eliminando por lavado los oxidantes de nitrito (XNO) (Reacción 1 b). Se han propuesto diferentes procedimientos usando biomasa en suspensión (Patente n° US 6.183.642 B1 , 2001 y Hellinga y col., 1998) o biomasa en soportes (Patente n° GB 2.333.522 A, 1999; Gut y col., 2006) y basados en la regulación del tiempo de retención de sólidos (TRS), pH y oxígeno disuelto (OD).
Para la eliminación de nitrito, se ha desarrollado una invención reciente (Patente n° US 6.383.390 B1 , 2002 y Van Dongen y col., 2001 ), que combina la nitrificación parcial y la nueva reacción K de oxidación de amonio anaerobia (anammox), reacciones 3 y 4
Nitrificación parcial:
NH4 + + 0,75O2 + HC03 "→ 0,5NH4 + 0,5NO2 " + 1 ,5H20 + C02 " por XNH (Reacción 3)
Anammox: NH4 + + 1 ,32N02 " + 0,066HCO3 " + 0,13H+ → → 1 ,02N2 + 0,26NO3 " + 2,03H2O + 0,066CH200.5No.i5 por XAN (Reacción 4)
Para este propósito, la nitrificación parcial se debe llevar a cabo en un primer reactor aireado, de modo que debe obtenerse una relación exacta de N- NH47lM-N02 " = 1 :1 ,3 en el efluente. Esta es una tarea difícil considerando las fluctuaciones de la entrada de aguas residuales y las condiciones medioambientales (temperatura, pH, etc.) y se han propuesto algunas invenciones para lograr esto (Patente n° US 7.144.508 B2, 2006; Strous y col., 1997). Además, la bacteria de la anammox tiene una velocidad de crecimiento muy lenta, de modo que la etapa secundaria es muy sensible a fluctuaciones en condiciones de trabajo y por consiguiente es inhibida con facilidad. De hecho, solo hay algunas instalaciones a escala industrial en funcionamiento en el mundo, y hasta la fecha no se ha documentado claramente un funcionamiento fiable.
En este contexto, se ha publicado una patente reciente (Patente n° US 7.645.385 B2, 2010) basada en este procedimiento que usa un reactor RBS con biomasa en suspensión. También recientemente se ha patentado un procedimiento para el control automático de la nitrificación completa con biomasa en suspensión, usando controladores de pH, oxígeno disuelto y tiempo de retención de sólidos (Patente n° WO2009/046415 A1 ). DESCRIPCIÓN
La presente invención propone un procedimiento original tanto en los principios para un sistema de eliminación de nitrógeno más sencillo (nitrificación completa y desnitrificación con metanol) como en el procedimiento de control automático.
Por lo tanto, en el presente documento se propone un sistema más sencillo con el fin de garantizar un funcionamiento robusto y fiable a escala industrial. Por lo tanto, se propone la nitrificación completa en la primera etapa y se añade una fuente de carbono para la desnitrificación de los nitritos. De esta forma, se ahorra 25% de consumo de oxígeno y 40% de la fuente de carbono con respecto a la predesnitrificación-nitrificación convencional.
Nitrificación completa NH4 + + 1 ,502→ N02 " + H20 + 2H+ (5)
Desnitrificación con metanol 6N02 " + 3CH3OH→ 3N2 + 3C02 + 3H20 +
60H"
Con respecto a la eliminación de nitrógeno, el objeto de la invención usa 4 unidades separadas.
Un depósito de retención, para limitar el caudal discontinuo de las aguas residuales de los desagües que pueden tener modelos muy diferentes de una instalación a otra. De esta forma, el caudal al reactor de predesnitrificación (Q alimentado) es continuo y está regulado mediante el sistema de control automático. El depósito de retención también sirve como un sedimentador para eliminar los sólidos suspendidos.
Un reactor de predesnitrificación, diseñado para eliminar (en nitrógeno gaseoso) todos los nitritos recirculados del reactor de nitrificación (Qrint). La desnitrificación se produce principalmente por la dosificación de una fuente de carbón (Qc). En algunas instalaciones, las aguas residuales contienen demanda bioquímica de oxígeno (DBO) soluble de otras unidades en el conducto de fangos y se puede usar para la predesnitrificación, reduciendo así la dosificación de la fuente de carbono. El uso de la predesnitrificación en lugar de la postdesnitrificación permite la eliminación de la DBO influente cuando está presente, evitando así la inhibición de oxidantes de amonio (XNH) en la posterior biopelícula aireada. Por consiguiente, se pueden lograr velocidades de nitrificación más altas y estables.
Un reactor de nitrificación lleva a cabo la transformación estable de amonio a solo nitrito porque los oxidantes de nitrito (XNO) se eliminan por lavado regularmente del sistema mediante un sistema de control robusto adecuado. El uso de unidades separadas para la desnitrificación y nitrificación (comparado con otras propuestas) permite su control óptimo. Los oxidantes de amonio (XNH) y la biomasa heterotrófica (XH) para la desnitrificación pueden estar localizados tanto en la biopelícula de los soportes como en suspensión.
Un sedimentador permite un sistema automático robusto y tiene como objetivo clarificar el flujo de entrada de sólidos suspendidos y obtener un fango espesado.
El uso de un sistema de control basado en analizadores de nutrientes (NH4 +, N02 " y N03 ") en contraposición a procedimientos de control basados en sensores convencionales (pH, ORP, etc.).
Todas estas características aumentan la flexibilidad y versatilidad del sistema, de modo que puede adaptarse a escenarios muy diferentes de características de aguas residuales presentados en la corriente de retorno de EDAR urbanos de escala completa.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGU RAS
Los objetos anteriores y otros objetos y ventajas de la invención se apreciarán de forma más completa a partir de la siguiente descripción adicional de la misma, con referencia al dibujo que acompaña, en el que:
La Figura 1 representa un diagrama del sistema de la invención y sus partes.
REALIZACIÓN PREFERIDA
En una realización preferida, el sistema (1 ) de la invención obtiene aguas residuales de un desagüe que se almacenan y limitan mediante alortiguación en un depósito de retención (2); el caudal discontinuo de las aguas residuales de los desagües pueden ser diferentes de una instalación a otra. De esta forma, el caudal [Q alimentado] que llega a un reactor de predesnitrificación anóxico (3) es continuo y está regulado por un sistema de control automático (6).
Tal y como se representa en la figura 1 , el reactor de predesnitrificación (3) está diseñado para eliminar [en nitrógeno gaseoso] todos los nitritos recirculados de un reactor de nitrificación (4) [Qrint]. La desnitrificación se produce principalmente por la dosificación de una fuente de carbono [Qc]. En algunas instalaciones, las aguas residuales contienen demanda bioquímica de oxígeno [DBO] procedente de otras unidades en el conducto de fangos y se podría usar para la predesnitrificación, reduciendo así la dosificación de la fuente de carbono. El uso de predesnitrificación en lugar de postdesnitrificación permite la eliminación de la DBO del influente si lo hubiere, evitando de esta forma la inhibición de oxidantes de amonio [XNH] en la posterior biopelícula aireada. Por consiguiente, se pueden lograr tasas de nitrificación mayores y estables.
El reactor de nitrificación (4) lleva a cabo la transformación estable de amonio en solo nitrito porque los oxidantes de nitrito [XNO] se eliminan por lavado regularmente del sistema por un sistema de control robusto adecuado. Los oxidantes de amonio [XNH] y la biomasa heterótrofa [XH] para la desnitrificación se pueden localizar tanto en la biopelícula de los soportes como en la suspensión.
Un sedimentador (5) permite un sistema automático robusto (1 ) y tiene como objetivo clarificar el flujo de entrada de sólidos suspendidos y obtener un fango espesado. El uso de un sedimentador (5) proporciona diferentes alternativas de funcionamiento.
En esta realización preferida de la invención, el sedimentador (5) se encuentra ubicado al final del sistema (1 ) y no usa la recirculación de fangos al reactor de predesnitrificación (3). Por lo tanto, la concentración de sólidos suspendidos será relativamente baja [200-500 mg/l]. La desnitrificación y nitrificación tendrán lugar tanto en la biopelícula de los soportes como en suspensión.
En otra realización, se usa el recirculación de fangos con el fin de aumentar la concentración de los sólidos suspendidos y las correspondientes tasas de desnitrificación y nitrificación. Sin embargo, la separación por lavado de XNO es más difícil puesto que aumenta el tiempo de retención de sólidos [TRS].
En otra realización más de la invención, el sedimentador (5) se sitúa entre los reactores (3,4), con los fangos reciclados al reactor de predesnitrificación (3). Por lo tanto, la tasa de desnitrificación puede ser relativamente alta y garantizar mejor la nitrificación. Sin embargo, el flujo de entrada de sólidos suspendidos al sedimentador (5) es muy alto debido al alto caudal de recirculación interna, que por lo tanto demanda una superficie mayor para el sedimentador (5).
Siguiendo el diagrama de la figura 1 , el sistema de control automático (6) implica las siguientes estrategias, teniendo en cuenta que el sistema de control automático (6) del sistema (1 ) se basa en el uso de (NH4 +, NO2" y NO3") como analizadores de nutrientes, basado en unos sensores colocados a lo largo del sistema, preferiblemente en los reactores (3, 4):
- El control automático de oxígeno disuelto en el reactor de nitrificación (4): el [Qaire] es manipulado automáticamente de acuerdo con las discrepancias entre un valor de oxígeno disuelto de preajuste [valor de ajuste de oxígeno disuelto] y las mediciones de oxígeno disuelto en el reactor de nitración (4).
La regulación automática del valor de ajuste de oxígeno disuelto: el valor de ajuste de oxígeno disuelto se modifica automáticamente de acuerdo con:
un valor de preajuste de N-NH4 + [valor de ajuste de N- NH4 +], y
las mediciones de N-NH4 + y N-N03+ en el reactor de nitración (4).
El [Q alimentado] se manipula en función de las mediciones de N- NH4 + en el reactor de nitración (4) y el valor de ajuste de N-NH4 + El control automático de N-N02 " en el reactor de predesnitrifica- ción (3): El Qc [caudal de carbono externo] se manipula automáticamente de modo que las mediciones de N-NO2 " en el reactor de prenitración (3) siguen un nivel de preajuste de N-NO2 " [valor de ajuste de N-NO2 " en el reactor de prenitración (3)]
El control automático de N-NO2 " en el reactor de nitrificación (4): El Qnnt se manipula automáticamente en función de:
un valor de preajuste de N-NO2 " [valor de ajuste de N-NO2 " en el reactor de nitración (4)], y
las mediciones de N-NO2 " en el reactor de nitración (4).

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un sistema (1 ) para el tratamiento de aguas caracterizado porque comprende:
un depósito de retención (2) adaptado para limitar un caudal discontinuo de aguas residuales procedentes de desagües,
un reactor de nitrificación (4) adaptado para transformar amonio contenido en las aguas residuales que vienen del depósito de retención (2), en nitritos,
un reactor de predesnitrificación (3) adaptado para eliminar los nitritos transformados por la reacción de nitrificación (4),
un sedimentador (5) para clarificar el efluente y recircular los fangos, y
unos sensores colocados en el reactor de nitrificación (4) y el reactor de predesnitrificación (3) adaptados para detectar al menos amonio, nitritos y nitratos.
2. Sistema (1 ) de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque adicionalmente comprende un sistema de control automático (6) para controlar y regular el caudal que entra en el depósito de retención (2).
3. Sistema (1 ) de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el control automático se basa en analizadores de nutrientes.
4. Sistema (1 ) de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque los analizadores de nutrientes se seleccionan del grupo que consiste en: NH4+, N02 " y N03 ".
5. Sistema (1 ) de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque el sedimentador (5) se encuentra ubicado al final del sistema (1 ).
6. Sistema (1 ) de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque el sedimentador (5) está colocado entre el reactor de nitrificación (4) y el reactor de predesnitrificación (3).
7. Procedimiento para el tratamiento de agua que usa el sistema (1 ) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
almacenar y limitar las aguas residuales en el depósito de retención (2) con el fin de limitar y normalizar el caudal,
transformar el amonio presente en las aguas residuales en nitritos usando oxidantes de nitrito en el reactor de nitrificación (4), y
eliminar los nitritos obtenidos usando el reactor de predesnitrificación (3) mediante dosificación de una fuente que contiene carbono con biomasa, tanto en biopelícula como en suspensión.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque además comprende controlar y regular el caudal que entra en el depósito de retención (2) usando los analizadores de nutrientes haciendo uso de los sensores.
9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque además comprende separar sólidos presentes en el agua mediante el almacenamiento y confinación de dicha agua en el depósito de retención (2) hasta que se produzca una sedimentación.
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