Tema n Página 1

ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO DE LAS AGUAS RESIDUALES. PROCESOS DE NITRIFICACIÓN Y DESNITRIFICACIÓN

1.- NITRIFICACIÓN BIOLÓGICA 1.1.- Estequiometría 1.2.- Cinética de la nitrificación 1.3.- Aspectos complementarios de diseño de un reactor de nitrificación 1.4.- Dimensionamiento de los procesos de nitrificación

Tema n Página 2

1.1.- Estequiometría La nitrificación es un proceso autotrófico; esto es, la energía necesaria para el crecimiento bacteriano se obtiene de la oxidación de compuestos de nitrógeno, principalmente del amoníaco. Al contrario que los organismos heterótrofos, para la síntesis de células nuevas, los organismos nitrificadores emplean dióxido de carbono (carbono inorgánico), en lugar de carbono orgánico. La producción de masa celular de los organismos nitrificadores por unidad de sustrato metabolizada es menor que la producción de los organismos heterótrofos. La oxidación del amonio es un proceso que se realiza en dos etapas, en el que toman parte dos familias de microorganismos, Nitrosomonas y Nitrobacter. En la 1ª etapa, el amonio es convertido a nitrito; en la 2ª éste es convertido a nitrato. Las bacterias nitrificantes oxidan el amonio que se encuentra inicialmente en el agua residual y el que, además, es liberado por las reacciones heterotróficas El nitrógeno se hidroliza en la red de colectores y en las depuradoras, y pasa a amonio:

N orgánico + H2O  NH4+ + OH-

2.- ELIMINACIÓN DEL NITRÓGENO POR DESNITRIFICACIÓN 2.1.- Conceptos básicos 2.2.- Estequiometría 2.3.- Cinética de la desnitrificación 2.4.- Dimensionamiento de una sola zona anóxica

La oxidación del ión amonio a nitrato tiene lugar en dos etapas: 

Oxidación de amonio a nitrito por Nitrosomonas.

3.- TIPOLOGÍAS DE LOS PROCESOS DE NITRIFICACIÓN DESNITRIFICACIÓN 4.- LOS CANALES DE OXIDACIÓN 4.1.- Características generales 4.2.- Criterios de diseño 4.3.- Rendimientos 4.4.- Otras consideraciones de diseño

NH4+ + 1.5 O2 2 H+ + H2O + NO2-+ energía La energía liberada por esta reacción es del orden de 58 a 84 Kcal por mol de amonio. 

5.- NIVELES DE TRATAMIENTO ALCANZABLES CON DIFERENTES COMBINACIONES DE PROCESOS EN TRATAMIENTO AVANZADO DE AGUAS RESIDUALES

Oxidación de nitrito a nitrato por Nitrobacter:

NO2- + 0.5 O2  NO3- + energía Esta relación libera 15.4 a 20.9 Kcal/moñ de nitrito. Las Nitrosomonas obtienen más energía por mol de nitrógeno oxidado que las Nitrobacter. Si la síntesis celular por unidad de energía producida es la misma en ambos casos, debe haber más masa de Nitrosomonas formadas por mol de N oxidado que de Nitrobacter.

1.- NITRIFICACIÓN BIOLÓGICA El proceso mediante el cual se convierte a nitrato el nitrógeno presente en el agua residual bruta o decantada se conoce como «nitrificación biológica». A continuación se revisan ecuaciones estequiométricas y expresiones cinéticas de crecimiento microbiano. La estequiometría describe al proyectista qué reacciones ocurren y con qué extensión; las expresiones cinéticas describen la velocidad de las reacciones. Utilizando esta información es posible diseñar y determinar la dimensión y tipo de reactor que es necesario, las condiciones ambientales a mantener en el reactor, y las cantidades de los reactivos externos, tales como oxígeno o metanol, que deben ser suministrados.

Reacción global:

NH4+ + 2 O2  NO3- + 2 H+ + H2O Estas reacciones proporcionan energía para el crecimiento de las nitrificacntes. Las ecuaciones para el crecimiento de Nitrosomonas y Nitrobacter son:

15 CO2 + 13 NH4+  10 NO2- + 3 C5H7NO2 + 23 H+ + 4 H2O Nitrosomonas 5 CO2 + NH4+ + 10 NO2- + 2 H2O  10 NO3- + C5H7NO2 + H+ Nitrobacter

Autor/es: J. Suárez, A. Jácome

Universidade da Coruña

Fecha: Nov 2007

Asignatura: TRATAMIENTOS AVANZADOS DE DEPURACIÓN

MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA

Autor/es: J. Suárez, A. Jácome

Universidade da Coruña

Fecha: Nov 2007

Asignatura: TRATAMIENTOS AVANZADOS DE DEPURACIÓN

MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA

Tema n Página 3

Tema n Página 4

Las ecuaciones anteriores muestran la producción de ácido libre (H+) y el consumo de CO2 gaseoso. Realmente estas reacciones tienen lugar en un medio acuoso en el contexto del sistema del ácido carbónico. Estas reacciones normalmente tienen lugar a un pH menor de 8.3. En estas circunstancias, la producción de ácido da lugar a la reacción con el ión bicarbonato (CO3H) con la producción de ácido carbónico (H2CO3). El consumo de CO2 por los organismos da lugar a una cierta disminución de la forma disuelta del CO2, ácido carbónico (H2CO3). Oxidación: Nitrosomonas:



La nitrificación reduce el nivel de HCO3- y aumenta el de H2CO3, por lo que el pH baja. El efecto es aliviado por el “stripping” del CO2 por el proceso de aireación.



Muchas aguas residuales no tienen alcalinidad suficiente y la bajada del pH da lugar a una rápida disminución de la tasa de nitrificación.



La necesidad teórica de oxígeno, despreciando la síntesis, es de 4.57 mg O2/mg N-NH4+ (la síntesis cambia este valor a 4.19). En cálculos ingenieriles se suele adoptar 4.6 mg O2/mg N-NH4+.

NH4+ + 1.5 O2 + 2 HCO3-  NO2- + 2 H2CO3 + H2O 1.2.- Cinética de la nitrificación Oxidación: Nitrobacter:



NO2- + 0.5 O2  NO3-

EFECTOS DE LA CONCENTRACIÓN DEL AMONIO EN EL CRECIMIENTO DE NITRIFICANTES

Oxidación global: El crecimiento de las nitrosomonas está limitado por la concentración de nitrógeno amoniacal y el de las nitrobacter por la concentración de nitritos. Normalmente la reacción de formación de nitritos es más lenta que la de formación de nitratos por nitrobacter, con lo que la reacción global está determinada por la primera y se puede plantear la ecuación de Monod con el nitrógeno amoniacal como sustrato limitante.

NH4+ + 2 O2 + 2 HCO3-  NO3- + 2 H2CO3 + H2O Ecuaciones globales de síntesis-oxidación:

El crecimiento dc las bacterias nitrificantes en función de la concentración de sustrato (NH4+) se expresa con una expresión de Monod:

55 NH4+ + 76 O2 + 109 HCO3-  C5H7NO2 + 54 NO2- + 57 H2O + 104 H2CO3 Nitrosomonas 400 NO2- + NH4+ + 4 H2CO3 + HCO3- + 195 O2  C5H7NO2 + 3 H2O + 400 NO3 Nitrobacter

 A   Am

Siendo: A = Tasa específica de crecimiento de nitrificantes. Am = Máxima velocidad de crecimiento de nitrificantes KNH = Constante de semisaturación SNH = Concentración de sustrato (nitrógeno amoniacal)

Reacción global:

NH4+ + 1.83 O2 + 1,98 HCO3-  0.021 C5H7NO2 + 1.041 H2O + 0.98 NO3- + 1.88 H2CO3 En estas ecuaciones las producciones de Nitrosomonas y Nitrobacter son: 0.15 mg de células por cada mg de N-NH4+ y de 0.02 mg de células por cada mg de N-NO2-. El oxígeno consumido es de 3.16 mg O2/mg NH4+-N oxidado y de 1.11 mg O2/mg NO2--N oxidado. Si pensamos en el efecto de un vertido de agua residual a un río, y esa agua contiene 30 mg/L de DBO5 y 40 mg/L de nitrógeno total (de los cuales 35 pueden corresponder a nitrógeno amoniacal) resulta una demanda de 30 mg/L por la DBO y 150 mg/L por el nitrógeno.



EFECTO DE LOS FACTORES AMBIENTALES EN EL CRECIMIENTO DE LAS NITRIFICANTES Las bacterias nitrificantes son más sensibles que las heterotrofas a los factores ambientales. Son estrictamente aerobias y se suele considerar que para concentraciones de oxígeno disuelto inferiores a 2 mg/L la velocidad de crecimiento se reduce significativamente. El manual clásico de la EPA plantea una relación de Monod para el crecimiento en función del oxígeno disuelto con la siguiente expresión:

Factores a tener en cuenta en el diseño: 

En la nitrificación, por lo tanto, se destruye alcalinidad por oxidación del amonio y aparece CO2 (H2CO3 en fase acuosa). Si se desprecia la síntesis, 7.14 mg de alcalinidad se destruyen por mg de N-NH4+ oxidado (la síntesis cambia este valor a 7.07).

Autor/es: J. Suárez, A. Jácome

Universidade da Coruña

Fecha: Nov 2007

Asignatura: TRATAMIENTOS AVANZADOS DE DEPURACIÓN

MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA

S NH K NH  S NH

 A   Am

S OD K OD  SOD

Siendo SOD el valor real del oxígeno disuelto y tomando para KOD el valor de 1.3 mg/L. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome

Universidade da Coruña

Fecha: Nov 2007

Asignatura: TRATAMIENTOS AVANZADOS DE DEPURACIÓN

MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA

Tema n Página 5

El modelo nº 1 de la IAWQ adopta como valor de KOD el valor de 0.4 mg/L. La velocidad de crecimiento de las nitrificantes depende de forma fundamental de la temperatura del agua residual en el reactor. Esto puede expresarse con una ecuación de Arrenhius:

K  K 

T 15 

Tema n Página 6



EXPRESIÓN CINÉTICA COMBINADA El Manual de la EPA da la siguiente expresión:



  SOD S NH     KOD  SOD   K NH  S NH

 A   Am  e0.098T 15   1  0.833  (7.2  pH ) 

T 15 Siendo: T = Temperatura  = Coeficiente de Arrenhius

  

Referida al crecimiento máximo a 15ºC Am= 0.47 días-1. La corrección por la temperatura es equivalente, ya que e0.098=1.103.

Normalmente se adopta para las nitrificantes un valor de  = 1.103, lo que significa que cada 7º C de aumento de temperatura aumenta la velocidad de crecimiento al doble (1.103)7=2. Este valor para las heterótrofas se suele estimar en  = 1.07 pero no tiene mucha importancia debido a la elevada velocidad de crecimiento de las mismas.

El modelo nº 1 de la IAWQ da la siguiente expresión:



  SOD S NH     K OD  SOD   K NH  S NH

También se incide mucho en la importancia de la alcalinidad y como consecuencia el pH, ya que las nitrificantes son muy sensibles a valores del pH por debajo de 7.

 A   Am  

Como ejemplo, el manual de la EPA adopta, para tener en cuenta el efecto del pH (para valores de pH 50

95 > 50

44

164

30 – 80 d 15 – 30

33 120

28 90

17 c 349

41 c 120

14 707

Modder fontein, S. Africa 2385 3030

S. Witbank, S. Africa 167 8830

98 8000

0.093

0.03

0.027

11 416 c

Canal Simple

Orbal

115 15

144240

Canal Simple

Orbal Orbal Aireación Aliment. Prolonga Alterna da Huntsville, Huntsvill Texas e, Texas

Orbal

g DQO/m3/d

31 194226 d

b

Valor de diseño

e

e

d

BioDenitr o T Odens e, Denma rk 15000 d 3000

15 – e 30 22 282

Nuevo dato

El diseño de la desnitrificación es similar a la de otros reactores anóxicos. Generalmente, se operan como una aireación prolongada con elevados TRH y TRC, y con los mayores valores de SSLM de unos fangos activos convencionales. Los tiempos de retención hidráulica en los canales de oxidación están en un orden global entre 12 y 24 horas (6 a 12 horas para anoxia y de 6 a 12 para aerobiosis). Conceptualmente, el canal de oxidación es un “canal sin fin”. Sólo una parte del licor mezcla es desalojada en cada ciclo, lo cual permite una elevada tasa (la máxima) de recirculación interna. El dimensionamiento deberá basarse en la velocidad de paso que tiene un rango entre 0.25 y 0.6 m/s (con valores típicos de 0.25 a 0.35) y en el tiempo de duración de una vuelta que puede estar entre 10 y 45 minutos. La velocidad horizontal se consigue mediante los propios sistemas de aireación en los casos en que se utilizan aireadores mecánicos superficiales (rotores, turbinas, etc.) o mediante sistemas de impulsión independientes (aceleradores de corriente) en el caso de aireación con difusores. Para mantener una velocidad uniforme en las curvas y evitar turbulencias se utilizan paredes guía.

Autor/es: J. Suárez, A. Jácome

Universidade da Coruña

Fecha: Nov 2007

Asignatura: TRATAMIENTOS AVANZADOS DE DEPURACIÓN

MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA

Autor/es: J. Suárez, A. Jácome

Universidade da Coruña

Fecha: Nov 2007

Asignatura: TRATAMIENTOS AVANZADOS DE DEPURACIÓN

MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA

Tema n Página 25

Tema n Página 26

b) mantener niveles de OD menores de 0.5 en zonas anóxicas. c) La suficiente flexibilidad para lograr lo anterior a pesar de las variaciones diarias de carga y temperatura.

La relación “longitud de recorrido/ancho del canal“ se recomienda que esté entre 20 a 30 veces. Se puede llegar a profundidades de canal de 4 - 4.5 metros (los diseños iniciales sólo permitían 1.5 metros), o incluso superiores, de hasta 6 metros, cuando se independiza el sistema de impulsión del sistema de aireación.

Para lograr lo anterior suele ser necesario independizar la aireación de la velocidad horizontal. Ya que a mayores tasas de aireación mayor velocidad horizontal, y disminución de las zonas anóxicas. También se han propuesto tanques de igualación de caudales para minimizar el efecto de las puntas de caudal. Batanero y Ortega (CEDEX, 2004) aportan la siguiente tabla de parámetros de diseño: El diseño de los canales de oxidación puede variar, pero incorporará las condiciones de diseño de los sistemas de zona anóxica única, es decir, SSLM, carga másica (CM) y tasa de recirculación interna, temperaturas extremas y calidad del efluente deseado. Algunos autores sugieren la CM como parámetro clave del diseño, y podría usarse como la base del diseño si se conoce la concentración de fango mínima. Las necesidades de aire son difíciles de predecir durante el diseño. Los factores a considerar son: características de las aguas residuales, variaciones del caudal, temperatura y QW. Otros factores como el tamaño de las zonas aerobia y anóxica para eliminación de nitrógeno total son complejos y difíciles de predecir.

PARÁMETROS Carga másica (kg DBO5/kg SSLM.día) Tiempo de retención celular (días) Concentración SSLM (g/L) Tiempo de retención hidráulica (horas) Demanda teórica de oxígeno (kg O2/kg DBO5 eliminado) Velocidad horizontal en canal (m/s)

PROCESO CONVENCIONAL 0.2 -0.4 3–7 2.5 – 3.5 3–8 0.8 – 1.0 0.25 – 0.35

AIREACIÓN PROLONGADA < 0.07 20 – 30 3.0 – 4.5 20 – 36 2.0 – 2.4 0.25 – 0.35

4.3.- Rendimientos Sin embargo, se ha conseguido mediante diseño “nitrificar completamente” entre los aireadores. Variando la transferencia de oxígeno y controlando el perfil de OD en el canal, las tasas operacionales de nitrificación pueden ser evaluadas para los valores actuales de DQO y temperatura del agua residual. Varios autores han sugerido que nitrificación y desnitrificación, pueden alcanzarse mejor si se especifica el volumen de la zona anóxica y se mide y controla el perfil de OD. El sistema de aporte de oxígeno debe permitir: a) mantener niveles de OD de 1.0 mg/L a 1.5 mg/L en las zonas aerobias. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome

Universidade da Coruña

Fecha: Nov 2007

Asignatura: TRATAMIENTOS AVANZADOS DE DEPURACIÓN

MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA

El diseño de los canales varía y, por lo tanto, también los rendimientos observados. Según el “Manual de Eliminación de Nitrógeno” la EPA la eliminación de nitrógeno se sitúa en un rango de 65 al 97 %. En ciertos casos, se ha llegado a nitrógeno total efluente del 3 mg/L. La tecnología de canales de oxidación se desarrolló para simplificar el proceso de nitrificación desnitrificación, minimizar las operaciones de control y reducir consumo de energía y costes. La configuración en canal es la más eficiente porque se conserva la cantidad de movimiento del proceso. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome

Universidade da Coruña

Fecha: Nov 2007

Asignatura: TRATAMIENTOS AVANZADOS DE DEPURACIÓN

MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA

Tema n Página 27

Los canales son como híbridos entre flujo pistón y mezcla completa. En función del número de veces que se recicle el agua tenderá a mezcla completa. En un canal típico, de un solo circuito, se puede disponer varios puntos de entrada del afluente para asegurar carbono exógeno. Conceptualmente, el canal de oxidación es un “canal sin fin”. Sólo una parte del licor mezcla es desalojada en cada ciclo, lo cual teóricamente permite una elevada tasa de recirculación interna I, es decir, de los nitratos formados. Cuantas más veces pasen los nitratos por la zona anóxica más elevado será el rendimiento de desnitrificación. La tasa de recirculación respecto al caudal de alimentación se sitúa entre 60 y 120 veces (6000% - 12000%), lo que provoca una gran dilución del agua bruta a la entrada del canal, por lo que el proceso se aproxima a un sistema de mezcla completa. La clave operacional está en la tasa de transferencia de oxígeno en los SSLM. Los SSLM pueden controlarse mediante la recirculación de fangos secundarios. En los canales simples de un sólo circuito, la aireación se puede optimizar colocando aireadores en puntos seleccionados a lo largo del canal. La transferencia de oxígeno puede ajustarse mediante la submergencia controlada de los discos de aireación o rotores, variando la velocidad de giro o cambiando el número de aireadores en cada eje del canal, o controlando la puesta en marcha o paro de parrillas de difusores. También podría emplearse una temporización de los aireadores. Hay que mantener siempre una mezcla mínima para la suspensión del fango.

Tema n Página 28

5.- NIVELES DE TRATAMIENTO ALCANZABLES CON DIFERENTES COMBINACIONES DE PROCESOS EN TRATAMIENTO AVANZADO DE AGUAS RESIDUALES PROCESOS

Fangos activos + filtración Fangos activos/nitrificación en una sola

N-NH4+

SS

DBO5

(mg/L)

(mg/L)

mg/L

mg/L

(4-6)

(5-10)

(15-35)

(15-25)

(10-25)

(5-15)

(20-30)

(1-5)

(10-25)

(5-15)

(5-10)

(1-2)

(