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Ingeniería de tratamiento de aguas residuales:Eliminación biológica de nutrientes

1. EFECTO NOCIVO DEL NITRÓGENO Y FÓSFORO

La DIRECTIVA CEE/271/1991 establece los siguientes porcentajes mínimos de reducción de nutrientes

PARÁMETROS CONCENTRACIÓN PORCENTAJE MÍNIMO DE REDUCCIÓN
Fósforo total
(P-PO4+P orgánico)		 2 mgP/l
(de 10.000 a 100000 hab-eq.)
1 mgP/l
(más de 100000 hab-eq.) 		80
Nitrógeno total
(NTK+N-NO3) 		15 mgN/l
(de 10.000 a 100000 hab-eq.)
10 mgN/l
(más de 100000 hab-eq.) 		70-80

Las consecuencias de su presencia en las aguas son las siguientes

1. Nitrógeno

  1. N-NH4
    – Gran consumo de Oxígeno
    – Tóxico para algunos peces
    – Dificultades para el tratamiento de agua potable
  2. N-NO3
    – Eutrofización del medio
    – Tóxico para la salud humana

2. Fósforo
– Eutrofización del medio

2. EFECTO DE DIVERSAS OPERACIONES Y PROCESOS DE TRATAMIENTO SOBRE LOS COMPUESTOS DE NITRÓGENO

Operaciones y Procesos de tratamiento
Nitrógeno orgánico
NH3-NH4
NO3
Eliminación del Nitrógeno total que entra en el proceso %.
Tratamiento Convencional
Primario 10-20% eliminado Ningún efecto Ningún efecto 5-10
Secundario 15-50% eliminado Urea -> NH3-NH4 < 10% eliminado Ligero 10-30
Proceso Biológicos
Asimilación bacteriana Ningún efecto 40-70% eliminado Ligero 30-70
Desnitrificación Ningún efecto Ningún efecto 80-90 % elim. 70-95
Cultivo de algas Transformación parcial a NH3-NH4 ->Células ->Células 50-80
Nitrificación Limitado -> NO3 Ningún efecto 5-20
Estanques de estabilización Transformación parcial a NH3-NH4 Eliminación parcial por arrastre. Eliminación parcial por nitrif/desnitrif. 20-90


3. EFECTO DE DIVERSAS OPERACIONES Y PROCESOS DE TRATAMIENTO SOBRE LOS COMPUESTOS DE NITRÓGENO

Valores típicos para aguas residuales urbanas

Operaciones y Procesos de tratamiento
Nitrógeno orgánico
NH3-NH4
NO3
Eliminación del Nitrógeno total que entra en el proceso %.
Proceso químicos
Cloración de breakpoint Incierto 90-100% eliminado Ningún efecto 80-95
Coagulación química 50-70% eliminado Ligero Ligero 20-30
Absorción sobre carbono 30-50 % eliminado Ligero Ligero 10-20
Intercambio iónico selectivo para el amoniaco Ligero, incierto 80-97 % eliminado Ningún efecto 70-95
Intercambio iónico selectivo para el nitrato Ningún efecto Ningún efecto 75-90 % elim. 70-90
Operaciones físicas
Filtración 30-95% Nitr. Orgánico suspendido eliminado Ningún efecto Ningún efecto 20-40
Arrastre con aire Ningún efecto 60-95 % eliminado Ningún efecto 50-90
Electro diálisis 100 % de Nitr. Org. suspendido eliminado. 30-50 % eliminado 30-50 % eliminado 40-50
Osmosis inversa 60-90 % eliminado 60-90 % eliminado 60-90 % elim. 80-90

  FUERTE MEDIA DÉBIL
Nitrogeno total (NTK) 60 mgN/l 42 mgN/l 25 mgN/l
N-NO3 0 mgN/l 0 mgN/l 0 mgN/l
N-NH4 45 mgN/l 30 mgN/l 15 mgN/l
N Orgánico 15 mgN/l 12 mgN/l 10 mgN/l


3.1 Reacciones para nitrificación

2 NH4+ + 3O2 à 2NO2- + 4H+ + 2H2O

Nitrosomonas

2NO2- + O2 à 2NO3-

Nitrobacter

NH4+ + 2O2 à NO3- + 2H+ + H2O

Consumo de Oxigeno: 4,57 g O2/ g N-NH4oxidado

Consumo de Alcalinidad: 7,14 mg CO3Ca/mg N-NH4oxidado

3.2 Bacterias nitrificantes

  • Organismos quimioautótrofos
  • Organismos aerobios estrictos
  • Crecimiento de nitrosomonas < Crecimiento de nitrobacter
  • Baja producción de materia celular
  • Cinética de crecimiento tipo MONOD
 
Intervalo
Valor Típico
Nitrosomonas mm (d-1) Ks (NH4 mg l ) 0,3 – 2,0
0,2 – 2,0 		0,7
0,6
Nitrobacter mm (d-1) Ks (N02 mg l ) 0,4 – 3,0
0,2 – 0,5 		1,0
1,4

3.3 Factores que afectan a la nitrificación

Temperatura

  • KT = K20ºC * O (T-20)

O Organismos autótrofos = 1,1
O Organismos heterótrofos = 1,07

  • pH: Óptimo 7,5
  • Oxígeno disuelto : 2mg/l
  • Alcalinidad

Relación DBO5/NTK

  • Tóxicos e inhibidores

4. CONSIDERACIONES DE DISEÑO: CULTIVOS EN SUSPENSIÓN

  • Determinación del pH del Proceso:
    7,2 < pH < 9
  • Determinación del crecimiento bacteriano máximo
    mm nitrosomona = 0,7 d-1
  • Determinación del tiempo de retención celular mínimo
  • Determinación del tiempo de retención celular de diseño
    STR dis = STR min * FS1,5 < FS < 2,5
  • Determinación de la producción de lodo
    < 5% de Fangos totales

4.1 E1iminación de Nitrógeno (Nitratos) en el efluente

a) Capacidad de Nitrificación:

CN = NTKINF – NH4ef – NTK org sol ef – NTKdec – NTKSS e – NBIO

CN = Capacidad de Nitrificación
NTKINF = NTK del influente
NH4ef = Nitrógeno amoniacal en efluente
N TKorg sol ef = Nitrógeno orgánico refracterio efluente (Biodegradable y no Biodegradable.) (4% NTKINF)
NTKdec = Nitrógeno insoluble decantable (10% NTK el)
NTKSS= Nitrógeno asociado a los sólidos en suspensión del efluente (6% SSef.).
NTK bio = consumido por la biológia del proceso (4% DBO5 elim)

b) NTK de Salida:

NTKs = NTK inf – NTKox – NTKbio – NTKdec

c) Determinación de Oxigeno necesario:

NOT (mg O2/l)= NOB + NON
NON = 4,57 * C

d) Determinación de alcalinidad necesaria

Nalc (mg CO3Ca / l) = 7,14 * CN + 100


4.2 Procesos de cultivos en suspensión

5. CONSIDERACIONES DE DISEÑO: CULTIVOS FIJOS

Lechos Bacterianos

Proceso
Porcentaje de Nitrificación
Carga Kg DBO5/m3d
Filtro percolador, medio de piedras 75-8585-95 0,16 – 0,0960,096 – 0,048
Filtro medio plástico 75-85 85-95 0,288 – 0,1920,192 – 0,096

5.1 Desnitrificación

Ventajas de la nitrificación – desnitrificación:

  • Recuperación de parte de la alcalinidad consumida en nitrificación
  • Recuperación de parte del Oxigeno consumido por nitrificación
  • Reducción de la desnitrificación incontrolada en decantadores
  • Mejoras de la sedimentabilidad de los fangos
  • Favorece la eliminación de fósforo

5.2 Reacciones para desnitrificación

6 NO3- + 2CH3OH à 6NO2- + 2CO2 + 4H2O
6 NO2- + 3CH3OH à 3N2 + 3CO2 + 3H2O + 6 OH-

5.3 Bacterias heterótrofas

6 NO3- + 5CH3OH à 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6 OH-
Aporte de Oxigeno: 2,86 gr O2/ gr N-NO3 reducido
Aporte de Alcalinidad: 3,57 gr CO3Ca/g N-NO3 reducido
Consumo de Materia Orgánica: 4,6 gr DBO5/gr N-NO3 reducido

5.4 Bacterias desnitrificantes

  • Organismos heterótrofos
  • Organismos facultativos
  • Baja producción de materia celular
  • Cinética de crecimiento tipo MONOD
Heterotrofas
!Intervalo
Valor Típico
mm (d-1) 0,3 – 0,9 0,3
Ks (NO3 mg l ) 0,06 – 0,2 0,1

5.5 Factores que afectan a la desnitrificación

  • Temperatura
    KT = K20ºC * O (T-20)
    O Organismos autótrofos = 1,1
    O Organismos heterótrofos = 1,07
  • pH: Óptimo 7,5
  • Oxígeno disuelto : ausencia
  • Concentración de Nitrato
  • Relación DBO5/NTK
  • Tóxicos inhibidores

Proceso en etapas separadas:

  • Nitrógeno de salida < 2 mg/l
  • Grandes necesidades de Volumen
  • Altos consumos de Oxigeno
  • Consumo de metanol
  • Necesidad de Alcalinidad
  • Problema de desnitrificación endógena.

Proceso desnitrificación-nitrificación:

  • Nitrógeno de salida en torno a 15 mg/l
  • Reducción del volumen necesario
  • Reducción del consumo de Oxigeno
  • No consumo de metanol
  • Reducción del consumo de alcalinidad
  • Mejor decantibilidad de los fangos.

CANALES DE OXIDACIÓN

Determinación de N-NH4 en el efluente :

  • Se determina el STR para el reactor aerobio

Determinación de Nitratos en el efluente

  • N-NO3 EF = CN – N DESNITRIFICADO
  • Potencial de Desnitrificación (DP = DP1 + DP2 + DP3)
    1. Según la disponibilidad de SDBO5
    DP1 = SDBO5 / 4,60

    2. Según la configuración del sistema (DP2)
    Fracción anóxica
    Edad del Lodo
    Biodegradabilidad de la DBO5
    Parámetros cinéticos

    3. Según recirculación Interna (DP3)

Determinación de Nitrógeno a Desnitrificar (NO3 a nitrif. = NTKoxi – NO3ef )

  • Determinación de la fracción anóxica y tiempo de retención celular necesarios para que DP = NO3 a nitrif.

Determinación de la recirculación interna óptima

Determinación de necesidades de oxigeno
ROT = ROB + 4,57 * CN – 2,86 * DP

Determinación de las necesidades de alcalinidad
Ralc = 7,14 * CN + 100 – 3,57 * DP


Proceso desnitrificación-nitrificación

Adecuado para relaciones normales y bajas de DBO5/NTK

Proceso bardenpho de 4 etapas.

  • Ventaja : Menor gasto de reactivos
  • Desventaja : Proceso difícil de controlar

6. FORMAS DEL FÓSFORO EN AR

  • ORTOFOSFATOS: 15 – 35 %
  • POLIFOSFATOS : 65 – 85 %
  • FÓSFORO DECANTABLE: 5 – 15 %
  • FÓSFORO SOLUBLE : 95 – 85%
 
FUERTE
MEDIA
DÉBIL
FOSFORO TOTAL 13 mgP/l 8 mgP/l 4 mgP/l
P-PO4 10 mgP/l 6 mgP/l 3 mgP/l
P- orgánico 3 mgP/l 2 mgP/l 1 mgP/l

6.1 Efecto de diversas operaciones y procesos de tratamiento sobre la eliminación de fósforo

Operación o Procesos de Tratamiento
Eliminación de fósforo (% )
Tratamiento Convencional  
Primario 10-20
Fangos Activados 10-25
Filtros Bacterianos 8-12
CBR´s 8-12
Eliminación biológica de fósforo (proceso independiente) 70-90
Eliminación química 70-90
Eliminación física  
Filtración 20-50
Osmosis inversa 90-100
Adsorción sobre carbono 10-30

Descripción del proceso

6.2 Factores que afectan a la defosfatación

  • Temperatura
    KT = K20ºC * O (T-20)
    O PAO = 1,04
    O heterótrofos = 1,07
  • pH: Óptimo 7 – 8
  • Oxígeno disuelto : 2 mg/l en zona óxica
  • Concentración de Nitrato y oxigeno en zona anaerobia
    1 gr de NO3 consume 4,16 gr de DBO5r
    1 gr de O2 consume 1,6 gr de DBO5r
  • Relación DBO5/NTK
  • Para eliminar 1 gr de fósforo se necesitan 7 – 9 gr DBO5r

6.3 Consideraciones de diseño: Eliminación de P

Determinar la concentración de fósforo efluente

  • Pef = Pin – Peliminado
  • Pef = P-PO4 + PSSe
  • PSSe = 5% Sse

Determinar tiempo de retención celular y fracción anaerobia

  • Fijación del tiempo de retención celular en cámara anaerobia en 1-2 h.
  • Fijación de la fracción anaerobia según DQO del agua bruta
DQO en agua bruta.
Fracción zona anaerobia (FAN)
< 400 0,20 – 0,25
400 – 700 0,15 – 0,20
> 700 0,10 – 0,15

Fracción anaerobia
Fracción anóxica
Recirculación interna
Relación de DBO5 / NTK
Tiempo de retención celular total ( Para Nitrificación, desnitrificación y eliminación de Fósforo)

  • Difícil conseguir Bajas concentraciones de Fósforo ( < 2 mg/l)


7. PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS CON ELIMINACIÓN DE N Y P

PROCESO BARDENPHO de 5 y 3 etapas.

Procesos UCT

Aconsejable para relaciones DBO5 / Fósforo total no muy altas
Fangos producidos:
Problema: Redisolución del fósforo si pasan por fases anaerobias

Soluciones:

  • Espesado por flotación
  • Reducción de almacenamiento de fangos frescos
  • Adición de cal o sales metálicas en caso de almacenamiento
  • Digestión anaerobia sin reboses
  • Utilización agrícola en estado liquido
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