AIREACIÓN INTERMITENTE PARA REMOCIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO EN SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA SOLA ETAPA *José Collí Misset Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Jefe del Laboratorio de Tratamiento de Aguas Residuales Municipales. Investigador en el área de tratamiento y reúso de aguas residuales domésticas desde 1986 hasta la fecha, con líneas de investigación y servicio tecnológico en saneamiento rural, sistemas naturales de tratamiento, remoción y conservación biológica de nutrientes y reúso del agua en la agricultura Hideo Sugita Japanese Association of Rural Sewerage, Japón Masaru Yamaoka National Research Institute of Agriculture Engineering, Japón Hortensia Ruiz Magallanes DEPFI/ Universidad Nacional Autónoma de México (*): Av. Paseo Cuauhnáhuac 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos 62550 México. Tel.. +52 (777) 3293695 Fax: 52(777)3293622 e-mail: [email protected] RESUMEN Una planta piloto de aireación extendida (θh 24 horas y θc 25 días) fue diseñada y construida para realizar experimentos que permitieran su transformación de tratamiento secundario a tratamiento terciario. Se realizaron cambios operacionales para tener condiciones anóxicas y aerobias suministrando de manera cíclica o intermitente aire en una serie de tiempos o ciclos de tres horas en un solo reactor. Se experimentaron con quince escenarios donde se variaron los tiempos de aireación desde 20 minutos de aireación y 160 minutos de agitación hasta 180 minutos de aireación continua, a fin de encontrar los tiempos óptimos requeridos para los procesos de nitrificación y desnitrificación. El control de la aireación se fijó para mantener una concentración de 2 mg/L utilizando un gasto de aire de 0.3 m3/min. Este control del oxígeno fue realizado por medio de un controlador PID y un variador de la frecuencia de los sopladores, midiéndose además la energía consumida en cada escenario. Se realizaron registros en línea cada minuto de oxígeno disuelto, potencial de óxido reducción, sólidos suspendidos, temperatura, pH y gasto de aire y determinaciones analíticas de DBO, SST, nitrógeno y fósforo en todas sus formas. Los mejores resultados se obtuvieron con el ciclo de 50 minutos de aireación y 130 minutos de mezclado (50/130), obteniéndose eficiencias de remoción de nitrógeno total del 90% y concentraciones menores a 10 mg/L en el efluente, reduciéndose el consumo de energía en un 76% con respecto a la aireación continua, teniéndose consumos de 14 kW⋅h/d lo que equivale a 0.32 Kw⋅h/m3. Para la obtención de efluentes para reúso agrícola y acuícola donde la toxicidad por nitrógeno amoniacal es un factor a cuidar, se obtuvo una remoción del 94% del nitrógeno amoniacal y concentraciones en el efluente menores a 1.5 mg/L, similares a las obtenidas con aireación continua las 24 horas, utilizando un patrón de intermitencia de 90/90, pero con la ventaja de ahorrar más del 50% de la energía necesaria en la aireación continua. Aunque la remoción de DBO5 no fue afectada por la aireación intermitente pues se obtuvo en el efluente un promedio 0.25.mg/L para los dos primeros y de 0.08 a 0.5 mg/L para el Zn. En cuanto a la relación carbono a nitrógeno C/N (medida como Kg DBO5/Kg N-T) estuvo en el rango de 3 a 7 en la mayoría de los casos de aireación intermitente (ver Tabla 5.19a) a excepción de los patrones de 40/140 así como en el de aireación continua donde se obtuvieron concentraciones más altas de DBO5, con lo que el rango se situó entre 9 y 13 unidades. La relación calculada como DQO/N-T, promedió 16 unidades con un rango entre 9 y 29 el cual se encuentra en su límite superior muy por encima del rango típico de 10 a 15 unidades (EPA, 1993) esto puede ser debido a la influencia de la descarga de sustancias inorgánicas de los laboratorios del Instituto. La relación C/N es un factor crítico para el funcionamiento adecuado de los desnitrificadores. Henze (1997) sitúa el valor óptimo para la materia orgánica proveniente de las aguas residuales en 3.2 Kg DBO/Kg N, este valor fue alcanzado en el caso 4b correspondiente al patrón de aireación intermitente de 50/130 con control por tiempos y de OD y un tiempo de residencia hidráulico de 52 horas. Los resultados obtenidos (Tabla 4). indicaron que para una remoción del 90% del nitrógeno total era necesaria una aireación durante 50 minutos seguida de una no aireación de 130 minutos, tal como se muestra en la Figura 1, en los casos experimentales 4A y 4B.

6b 0.64 24 178 0.03 3987

6b 105 175 22 17 8.88 0.94 4.87 6 22

En este sistema de aireación intermitente, la remoción biológica del fósforo fue menor al 30% y en algunos escenarios hubo un aumento de la concentración en el efluente del sedimentador secundario. Durante el escenario de aireación continua (180 minutos de aireación en ciclos de tres horas), la remoción del nitrógeno total fue menor al 15%. Sin embargo, más del 97% del nitrógeno amoniacal fue transformado casi completamente a nitratos. En el caso del escenario de 20 minutos de aireación y 160 minutos de no aireación, la eficiencia de remoción de nitrógeno total fue del 30% con una conversión del 45% del nitrógeno amoniacal presente a nitrógeno de nitratos Tabla 4 Comportamiento de la calidad efluente promedio del agua para los escenarios experimentales Escenarios Parámetro (mg/L) 1 2 3a 3b 4a 4b 4c 5a 5b 5c 5d 5e 5f 6a 6b DBO5 6 14 9 31 9 6.5 8 8 5.6 4 2 4 9 3 5 DQO 39 43 80 267 143 156 218 122 84 52 35 43 33 53 61 SST 13 7 14 24 5 ------ 8 8 4 12 7 16.5 6 13 3 20 14 7 11 3 4.3 9 9 5.7 2 ------ 5.4 ------ ------ 13 N-TOT NH3 0.4 8 4 5.9 0.3 0.47 1 3 0.64 1.10 1.13 1.2 1.13 1.42 1.10 NO2+NO3 17 5.3 1.66 0.4 1.1 1.82 3.27 3.04 3.91 4.60 4.69 6.3 2.89 5.42 6.45 P-TOT 4 4 3.59 0.87 4 ------ 4.07 3.65 3.6 2.60 ------ 14.6 4.18 1.0 4.85

100

2.5

0.4 OD Q aire

50

0.3

3

1.5 0.2 1 0.1

0.5

0 9:00

0 1

2

3A 3B 4A 4B 4C 5A 5B 5C 5D 5E 5F 6A 6B

Qaire (m /min)

DBO NT PT

OD (mg/L)

Remoción (%)

2

0 9:30

10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30

Tiempo (hh:mm)

Casos experimentales

Figura 1: Remoción de materia orgánica (DBO), nitrógeno total (NT) y fósforo total (PT) en los escenarios de investigación de aireación continua e intermitente en el sistema de aireación extendida (izq) y comportamiento del OD y el gasto de aire en el escenario de 50/130 (der). Durante el escenario de aireación continua (180 minutos de aireación en ciclos de tres horas), la remoción del nitrógeno total fue menor al 15%. Sin embargo, más del 97% del nitrógeno amoniacal fue transformado casi completamente a nitratos. En el caso del escenario de 20 minutos de aireación y 160 minutos de no aireación, la eficiencia de remoción de nitrógeno total fue del 30 porciento con una conversión del 45% del nitrógeno amoniacal presente a nitrógeno de nitratos. Con el fin de complementar el panorama de las condiciones bajo las que se llevó a cabo cada reacción, en la Tabla 5 se presenta el valor promedio de los parámetros que se monitorearon en línea en los tanques de

aireación. Estos datos se presentan por patrón en forma general debido a que son prácticamente constantes en un mismo caso. Velocidades de reacción en la etapa de nitrificación y denitrificación La velocidad de reacción a la que se lleva a cabo la remoción de nitrógeno es también de especial importancia dentro del campo de la remoción de nutrientes, en la literatura se pueden encontrar valores aproximados, sin embargo en la planta de tratamiento se consideró que calcular la velocidad de reacción especifica para los escenarios de operación es una forma de ampliar los conocimientos sobre lo concerniente a la remoción de nitrógeno. Tabla 5 Condiciones de operación bajo las cuales se llevo a cabo cada patrón de aireación. Patrón de aireación Continua 20 / 160 40 / 140 50 / 130 70 / 110

Etapa

SST, ppm OD, ppm

pH

Redox mV

Temp., o C

Aireación No-aireación Aireación No-aireación Aireación No-aireación Aireación No-aireación Aireación

2677 3791 3775 4969 5055 7413 7447 6008 5964

5.92 6.53 6.54 6.37 6.48 4.05 4.02 6.31 6.30

532 635 584 -111 280 334 363 215 351

18.25 15.52 15.50 19.82 19.83 21.49 21.48 20.09 20.10

2.43 1.70 1.11 0.04 0.17 0.20 0.64 0.12 0.40

Como una forma de visualizar las etapas de nitrificación y denitrificación se planteó graficar la concentración de nitratos en el tanque de aireación, esta determinación se hizo cada 10 minutos durante un ciclo completo. Dado que cada ciclo está formado por una etapa de aireación y otra de no aireación, se esperaba que al monitorear durante 3 hr, que es el tiempo que dura cada ciclo, se tuviera una curva en la cual pudiera identificar un incremento en la concentración de nitratos seguida de una disminución en la misma. Lo anterior fue posible de manera parcial debido a que no en todos los casos la respuesta al encendido/apagado de los sopladores fue inmediata y se obtuviern graficos en los que se muestra que se terminó el monitoreo cuando aún no terminaba la reacción, este fue el caso de los monitoreos realizados durante el escenario 50/130; en cambio, durante los escenarios 70/110 y 40/140 se obtuvieron datos a partir de los cuales fue posible, mediante un balance de masa, aproximar la razón de cambio con respecto al tiempo como una aproximación de la velocidad a la que ocurre la reacción global de remoción de nitrógeno.

NOx inf luente + NOx acumulada + NOx recirculación − NOx efluente La expresión utilizada para el cálculo es la sig.

[

∆[N ] ∆[N ]t ∗ Vt ± N Ox = ∆T

]

tm

[

]

[

]

∗ ∆T ∗ Qtm ± N Ox r * Vr ± N Ox t * (∆T * Qi + ∑ Vr ) ∆T ecuación 1

En la tabla 6 se presentan los resultados obtenidos para la velocidad de reacción. Tabla 6 Velocidad de la reacción de remoción de nitrógeno en la planta Fecha monitoreo

Patrón aireación

Vel reacción, gNO3/gSSV*d

9 Febrero 3 Junio 25 Marzo 7 Mayo

40-140 40-140 70-110 70-110

0.04 0.03 0.10 0.07

Consumo de energía. En la Tabla 7 y Figura 2 se muestran los resultados del consumo de energía eléctrica para los diferentes escenarios experimentados. Como se puede apreciar, la aireación continua (esto es la aireación ininterrumpida durante 24 horas) requiere de 60 Kw·h/d de energía eléctrica para poder suministrar el volumen de aire necesario que permita mantener una concentración de oxígeno disuelto en el tanque de aireación de 2 mg/l. La aireación intermitente requirió de diferentes consumos de energía para cada uno de los escenarios establecidos, así como para cada tipo de control (por tiempos y por límite de OD). En la Tabla 7 se puede observar que el mejor escenario resultó ser el de 50/130 con un consumo promedio de 14 Kw·h/d lo cual representó sólo el 22.5% del consumo del régimen de aireación continua, con lo que el ahorro de energía equivale al 75.6%. Con respecto al consumo de energía por efecto del control ya sea por tiempos o por oxígeno disuelto (OD), se observa que para todos los patrones el control por OD consumió de 9 a 21% menos kilowatts por hora-día que en el control por tiempos, observándose el menor consumo en el ciclo 50/130 tal como se muestra en la última columna de la Tabla 7 y en las columnas de barras de los casos 4a, b y c de la Figura 2 Tabla 7 Comparación del consumo de energía entre la operación continua y la intermitente. No. de Tiempo de escenario aireación/mezclado en ciclos de 3 h. [% del tiempo de aireación]

16.6 [27.7] Caso 3a 17.0 [28.3] Caso 4a 23.1 Casos 5a y 5c [38.5] 29.6 [49.3]

14 [23.3] Caso 3b 13.5 [22.5] Casos 4b y 4c 19.5 Casos 5b, 5d, 5e y 5f [32.5] 26.8 [44.7] Casos 6a y 6b

1

28Kw/h

60Kw/h

14.7Kw/h

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Consumo de energía mediante el Relación OD/ Tiempo, % control por OD, Kw⋅h/d [C. E. intermitente/ C. E continua, %]

60.0 [100]

15.3Kw/h

Consumo de energía (%)

Aireación continua 1 180/0 [100] Aireación intermitente 3 40/140 [22.2] 4 50/130 [27.8] 5 70/110 [38.9] 6 90/90 [50]

Consumo de energía mediante el control por tiempos, Kw⋅h/d [C. E. intermitente/ C. E continua, %]

20.7 7Kw/h

2 3a 3b 4a 4b 4c 5a 5b 5c 5d 5e 5f 6a 6b

Casos experimentales Figura 2 Consumo de energía para los diferentes escenarios de aireación

84.3 79.4 84.4 90.7

CONCLUSIONES Las investigaciones realizadas para la remoción de nitrógeno mostraron que se puede tener efluentes ricamente nitrificados para su reúso en la agricultura o en la acuacultura, utilizando aireación intermitente con patrones de aireación de 90 minutos en ciclos de tres horas para obtener remociones del 94% de nitrógeno amoniacal y concentraciones en el efluente menores a 1.5 mg/L, similares a las obtenidas con aireación continua las 24 horas (97%) pero con la ventaja de ahorrar más del 50% de la energía necesaria para la aireación continua. Sin embargo, debido a que mediante la nitrificación sólo se cambia de forma el nitrógeno, la remoción del nitrógeno total es menor del 30%, siendo insatisfactoria para cuando el objetivo es la descarga a cuerpos receptores y no el reuso. Para obtener la remoción de nitrógeno total en un solo reactor, los mejores resultados se obtuvieron con el ciclo de 50 minutos de aireación y 130 minutos de mezclado, obteniéndose eficiencias de remoción de nitrógeno total del 90% y concentraciones menores a 10 mg/L cumpliendo con creces el límite más estricto exigido por la norma mexicana el cual es de 15 mg/L. Adicionalmente se logró un ahorro del 77% en el consumo de energía con respecto a la aireación continua, teniéndose consumos de 14 Kw ⋅h/d lo que equivale a 0.32 Kw⋅h/m3 Agradecimientos.- Los fondos para esta investigación fueron otorgados por la Agencia de Cooperación Internacional del Gobierno de Japón y del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. A la compañía holandesa Skalar Analytical y su representante en México UGS Internacional por la donación del equipo de análisis de nutrientes.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Hakayawa, N; Tsuji, J; Hamamoto, Y., 1986 Simultaneous Nitrogen and Phosphorus Removal by Intermitent Cyclic Process, Water Science and Technology, Vol. 18. No. 1, pp 319-316. Heduit and Thevenot, 1989, Relation between redox and oxigen levels in activated-sludge reactors, Water Science and Tecnhology, vol 21 pp 947-956. Henze M., Harremoës P., la Cour J., & Arvin E., Wastewater treatment. Biological and chemical processes, Springer, 2nd ed., Germany, 383 pp Henze M., Harremoës P., la Cour J., & Arvin E., Wastewater treatment. Biological and chemical processes, Springer, 2nd ed., Germany, 383 pp Nakanishi Hiroshi et al, 1990, Biological nitrogen removal in a complete mixing type aerator with ORP control, Water Science and Technology, vol 22 No 7/8, pp1228-1236 Osada, T; Haga, H., 1991, “Removal of Nitrogen and Phosphorus from Swine Wastewater by the Activated Sludge Units with the Intermittent Aeration Process”, Water Research, Vol. 25, No. 11, pp.1377-1388. Sasaki, K; Yamamoto, Y ; et al., 1993 Simultaneous Removal of Nitrogen and Phosphorus in Intermittently Aereated 2-Tank Activated Sludge Process Using DO and ORP-Bending-Point Control, Water and Science Technology, Vol. 28, No. 11, pp. 513-521.