Ingeniería de aguas residuales/Eliminación biológica de nutrientes
1. EFECTO NOCIVO DEL NITRÓGENO Y FÓSFORO
editarLa 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
- N-NH4
- Gran consumo de Oxígeno
- Tóxico para algunos peces
- Dificultades para el tratamiento de agua potable
- N-NO3
- Eutrofización del medio
- Tóxico para la salud humana
- N-NH4
- Fósforo
- Eutrofización del medio
2. EFECTO DE DIVERSAS OPERACIONES Y PROCESOS DE TRATAMIENTO SOBRE LOS COMPUESTOS DE NITRÓGENO
editarN
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
editarValores 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
editar2 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
editar- 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
editarTemperatura
- 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
editar- 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
editara) 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
editar5. CONSIDERACIONES DE DISEÑO: CULTIVOS FIJOS
editarLechos 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
editarVentajas 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
editar6 NO3- + 2CH3OH à 6NO2- + 2CO2 + 4H2O
6 NO2- + 3CH3OH à 3N2 + 3CO2 + 3H2O + 6 OH-
5.3 Bacterias heterótrofas
editar6 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
editar- 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
editar- 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:
editar
- 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:
editar
- 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
editar
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)
- Según la disponibilidad de SDBO5
- DP1 = SDBO5 / 4,60
- Según la configuración del sistema (DP2)
- Fracción anóxica
- Edad del Lodo
- Biodegradabilidad de la DBO5
- Parámetros cinéticos
- Según recirculación Interna (DP3)
- Según la disponibilidad de SDBO5
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
editar
Adecuado para relaciones normales y bajas de DBO5/NTK
Proceso bardenpho de 4 etapas.
editar- Ventaja : Menor gasto de reactivos
- Desventaja : Proceso difícil de controlar
6. FORMAS DEL FÓSFORO EN AR
editar- 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
editarOperación 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 | |
|
20-50 |
|
90-100 |
|
10-30 |
Descripción del proceso
6.2 Factores que afectan a la defosfatación
editar- 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
editarDeterminar 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
editarPROCESO 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