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

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

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

Valores típicos para aguas residuales urbanas

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

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

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

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%

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

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

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