Ingeniería 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

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
Fósforo
- Eutrofización del medio

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

N

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% eliminadoUrea -> 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 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 < 8.5

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 Eliminación 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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