Eliminacion Biologica de Nutrientes 2011

TRATAMIENTO DE AGUAS

ELIMINACIN BIOLGICA DE NUTRIENTES

NITRGENO Y FSFORO


Grupo TAR 1

ELIMINACIN BIOLGICA DE NUTRIENTES

NITRGENO Y FSFORO

NDICE

1. EFECTO NOCIVO DEL NITRGENO Y FSFORO

2. NITRGENO

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

4.ELIMINACIN BIOLGICA DE NITRGENO. PROCESO DE NITRIFICACIN-DESNITRIFICACIN

5. FSFORO

6. ELIMININACIN BIOLGICA DE FSFORO

6.1 Clasificacin de los procesos de eliminacin

6.2 Eliminacin conjunta de N y P


Grupo TAR 2

1. EFECTO NOCIVO DEL NITRGENO Y EL FSFORO

Los nutrientes Nitrgeno y Fsforo constituyen elementos esenciales para la

vida biolgica tanto de bacterias como de los dems seres evolucionados. No

obstante, su presencia en exceso en el vertido de aguas residuales tratadas puede

ser nefasta desde el punto de vista ecolgico ya que pueden producir los siguientes

efectos en el curso del cauce receptor:

NITRGENO

En forma amoniacal:

a) Consumir oxgeno para pasar a estado oxidado como nitrato, un gramo de N-

NH4 consume una cantidad de oxgeno casi 4 veces mayor que la necesaria

para estabilizar 1 g de materia orgnica. Provoca por tanto, la reduccin de la

concentracin de oxgeno disuelto en las aguas.

b) Es txico para algunos peces

c) Provoca efectos negativos sobre la efectividad del cloro como desinfectante por

su reaccin con ste generando cloraminas.

En forma de nitratos:

a) Contribuye a la eutrofizacin de lagos, pantanos y cursos de agua lentos.

b) Peligro para la salud pblica

FSFORO

Favorece la eutrofizacin. Se demuestra que la ausencia del fsforo es ms

importante que la del Nitrgeno para limitar el crecimiento de algas planctnicas,

especialmente algunos tipos, capaces de fijar el Nitrgeno atmosfrico.

Teniendo en cuenta lo anterior, la eliminacin de los nutrientes del A.R. se hace

cada vez ms necesaria dado su potencial impacto sobre la calidad de las aguas

receptoras.


Grupo TAR 3

Pueden considerarse las siguientes opciones para la eliminacin de

nutrientes:

1. Eliminacin de nitrgeno sin eliminacin de fsforo

2. Eliminacin conjunta de nitrgeno y fsforo

3. Eliminacin de fsforo sin eliminacin de nitrgeno

4. Eliminacin de fsforo con eliminacin estacional de nitrgeno

Los procesos biolgicos constituyen en general un medio fiable y efectivo de

eliminar N y P, con un coste, adems, relativamente bajo.

2. NITRGENO

El nitrgeno puede estar presente en el agua residual en mltiples formas y son

muchas las transformaciones que puede sufrir en los distintos procesos de

tratamiento.

FORMAS DEL NITRGENO EN EL AGUA RESIDUAL

a) Nitritos y Nitratos: Aparecen generalmente en concentraciones prcticamente

despreciables.

b) Nitrgeno total Kjeldahl: N-NTK. Representa el total de nitrgeno en forma orgnica

y amoniacal (sin incluir nitritos ni nitratos).

b.1. Nitrgeno orgnico: Puede ser inerte o degradable:

Inerte: 12% (10% en suspensin y 2% soluble) Degradable: 88%

b.2. Nitrgeno amoniacal: Procede de la amonificacin del nitrgeno orgnico

producida en la red de colectores.

Para cuantificar el contenido de nitrgeno en las aguas residuales urbanas, se

puede establecer como valor medio la siguiente relacin:

NTK = 0,22 DBO (22% de NTK/DBO)

Cuando se encuentran cantidades que varan en 20% dicho valor es

necesario detectar las razones de estas anomalas, que pueden ser:


Grupo TAR 4

1. Contaminacin por granjas de cerdos, suele aumentar la relacin

2. Fuerte contaminacin orgnica, baja en nitrgeno, puede disminuir la relacin,

lecheras o cerveceras

3. Industrias de abonos o explosivos, suelen aumentar la relacin

En la tabla adjunta se recoge una cuantificacin indicativa de las concentraciones

de las distintas formas de nitrgeno que podemos encontrarnos en un agua residual.

TRANSFORMACIONES DEL NITRGENO

Las transformaciones que sufre el nitrgeno en los procesos de tratamiento

permiten convertir el nitrgeno amoniacal en otros productos fcilmente separables del

agua residual. Los mecanismos principales que intervienen en este proceso son la

amonificacin, la asimilacin y la nitrificacin-desnitrificacin.

La fraccin orgnica degradable se transforma, por accin enzimtica en forma

amoniacal, mediante el proceso denominado amonificacin. La cintica de esta

reaccin es muy rpida para la urea, -principal fuente de contaminacin nitrogenada

junto con las protenas- pero inferior para las protenas; an as, se puede considerar

que al final del tratamiento no subsiste ms que la fraccin orgnica inerte.

Como conclusin de lo anterior, se puede obtener que con el tratamiento por

fangos activos no es necesario conocer la proporcin entre las formas orgnicas y

amoniacales. En cambio en los sistemas de tratamiento de tipo cultivo fijo en los que el

tiempo de retencin en los reactores es muy corto, puede no completarse la

amonificacin.

mgN/l FUERTE MEDIA DBIL

Nitrgeno Total (NTK) 60 42 25

N-NO3 0 0 0

N-NH4 45 30 15

N Orgnico 15 12 10


Grupo TAR 5

Debido a que el nitrgeno es un nutriente, los microorganismos presentes en el

proceso tendern a asimilar el nitrgeno amoniacal y a incorporarlo a su masa celular,

a este proceso se le denomina asimilacin. Una parte de este nitrgeno amoniacal

retornar al agua residual con la lisis y muerte de las clulas.

Cuando las condiciones ambientales son las favorables, en particular la edad

del fango y la temperatura, el nitrgeno llega a oxidarse a nitrato en el proceso

biolgico denominado nitrificacin. En este proceso se reduce la demanda de

oxgeno del amoniaco por conversin a nitrato. No obstante, en este, paso el nitrgeno

apenas ha cambiado de forma y no se ha eliminado.

En un reactor anxico, en ausencia de oxgeno, algunas bacterias hetertrofas

son capaces de consumir el oxgeno de los nitratos, los cuales se reducen dando

nitrgeno libre. Este proceso se denomina desnitrificacin. En este paso el nitrgeno

se ha convertido en un elemento gaseoso que ahora si es eliminado.

Estos procesos se representan en los diagramas adjuntos 1 y 2.


Grupo TAR 6

Diagrama 1

Nitrgeno orgnico

(proteinas, urea)

Nitrgeno amoniacalAsimilacin Nitrgeno orgnico

(clulas bacterianas)Nitrgeno orgnico(crecimiento neto)

Nitrito (NO )2_

Nitrato (NO )3_

DesnitrificacinNitrgeno gas (N )2

Carbono orgnico

Lisis y autooxidacinO 2

O 2

Nitri

ficac

in

O 2

Diagrama 2

Como ya se ha comentado, aproximadamente el 10% del nitrgeno orgnico

presente en el agua se encuentra como materia inerte en suspensin. Por tanto,

aparecer formando parte de los fangos primarios o de los fangos en exceso en

ausencia de decantacin primaria.

N-NTKAGUABRUTA

INERTE

N-ORG

N-NH4

DEGRAD

SUSPENSIN

SOLUBLE

AMONIFICACIN

ASIMILACIN

NITRIFICACIN NNO3

DESNITRIFICACIN

DIGESTIN

N de M.S.

N-NH4

AGUADEPURADA

FANGOS EXTRAIDOS

ATMSFERA

N2


Grupo TAR 7

3. EFECTOS DE DIVERSAS OPERACIONES Y PROCESOS DE TRATAMIENTO SOBRE LOS COMPUESTOS DE NITRGENO En la tabla siguiente se contemplan los efectos que las distintas operaciones que

componen los tratamientos biolgicos, qumicos y fiscos ejercen sobre los

compuestos de nitrgeno.

Operaciones y procesos de tratamiento

Nitrgeno orgnico

NH3-NH4 NO3. Eliminacin Ntotal entrada en proceso %

Tratamiento Convencional

Primario 10-20% elim. Sin efecto Sin efecto 5-10

Secundario 15-50% elim. Urea->NH3NH4 < 10% elim. Ligero 10-30

Procesos Biolgicos

Asimilacin bacteriana Ningn efecto 40-70% elim. Ligero 30-70

Desnitrificacin Ningn efecto Sin efecto 80-90 % elim. 70-95

Cultivo de algas Transform. a NH3NH4 parcial Clulas ->Clulas 50-80

Nitrificacin Limitado NO3 Ningn efecto 5-20

Estanques de estabilizacin

Transform. a NH3NH4 parcial

Eliminacin parcial por

arrastre

Eliminacin parcial por

nitrif/desnitrif. 20-90

Proceso Qumicos

Cloracin al breakpoint Incierto 90-100% elim. Ningn efecto 80-95

Coagulacin 50-70% elim. Ligero Ligero 20-30 Absorcin sobre

carbono 30-50 % elim. Ligero Ligero 10-20

Intercambio inico selectivo para

amoniaco Ligero, incierto 80-97 % elim. Ningn efecto 70-95

Intercambio inico selectivo para

nitrato Ningn efecto Ningn efecto 75-90 % elim. 70-90

Operaciones Fsicas

Filtracin 30-95% Norg.susp.elim. Ningn efecto Ningn efecto 20-40

Arrastre con aire Ningn efecto 60-95% elim. Ningn efecto 50-90

Electrodilisis 100 % NOrg.susp.elim. 30-50% elim. 30-50 % elim. 40-50

Osmosis Inv 60-90% elim. 60-90 % el. 60-90 % elim. 80-90


Grupo TAR 8

4. ELIMINACIN BIOLGICA DE NITRGENO. PROCESO DE NITRIFICACIN-DESNITRIFICACIN

De los mtodos posibles para la eliminacin del nitrgeno, la nitrificacin-

desnitrificacin biolgica suele ser el ms adecuado por las siguientes razones:

1. Elevado rendimiento de eliminacin

2. Alta estabilidad y fiabilidad del proceso

3. Relativa facilidad de control del proceso

4. Reducidas necesidades de espacio

5. Coste moderado

Nitrificacin Biolgica

DESCRIPCIN DEL PROCESO

Son dos los gneros de bacterias responsables de la nitrificacin, Nitrosomas y

Nitrobacter. Los Nitrosomas oxidan el amoniaco en nitrito y los Nitrobacter transforman

el nitrito en nitrato.

Las bacterias nitrificantes son organismos aerobios estrictos por lo que su

crecimiento se detiene en los reactores anxicos y anaerobios. La velocidad de

crecimiento de los nitrosomas es menor que la de los nitrobacter, es decir, ser este el

factor limitante, dando as mismo una concentracin de nitrititos siempre muy baja.

Las reacciones que tienen lugar se pueden expresar:

Nitrosomas

2 NH4+ + 3O2 2NO2- + 4H+ + 2H2O

Nitrobacter

2NO2- + O2 2NO3-

Reaccin global

NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O

Al mismo tiempo tiene lugar la reaccin de sntesis de biomasa que consume

energa:


Grupo TAR 9

4 CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O C5H7O2N + 5 O2

Estas ecuaciones permiten calcular las cantidades necesarias para los

procesos.

Aproximadamente se necesitan 4,3 mg de O2 por cada mg de nitrgeno

amoniacal oxidado a nitrgeno en forma de nitrato. En el proceso de conversin se

consume una cantidad de alcalinidad de 8,6 mg de HCO3- por cada mg de nitrgeno

amoniacal oxidado. Recalcar que en este paso no se produce eliminacin de nitrgeno

aunque s eliminacin de su demanda de oxgeno.

Las bacterias nitrificantes son organismos extremadamente sensibles a gran

cantidad de sustancias inhibidoras tanto orgnicas como inorgnicas que pueden

impedir el crecimiento y la actividad de estos organismos:

Altas concentraciones de amoniaco y de cido nitroso pueden resultar

inhibidoras.

El efecto del pH tiene una gran influencia sobre el grado de crecimiento de los

nitrobacter y principalmente sobre los nitrosomas. El clculo de esta influencia no es

fcil pues intervienen muchos factores aunque puede llegarse a una conclusin muy

importante Es imprescindible mantener en el licor un pH mnimo de 7,5. Por debajo

de este valor la velocidad de crecimiento baja netamente: a pH 7,0 ya es del 20 al

50%. Puede situarse un intervalo ptimo de valores de pH estrecho, entre 7,5 y 8,6.

La temperatura tambin ejerce un efecto importante sobre la accin de las

bacterias nitrificantes. Sin tener en cuenta algunas aguas industriales que pueden

tener concentraciones sensibles de inhibidores, la tasa de crecimiento puede variar de

0,25 a 0,77 d-1 a la temperatura de 20C. Casi la totalidad de los autores admiten una

variacin en funcin de la temperatura de la forma:

T = 20 x (T-20)

Siendo T el crecimiento a la temperatura T y 20 el crecimiento a la

temperatura de referencia a 20C. El coeficiente varia ampliamente (de 1,07 a 1,15)

lo cual es bastante puesto que el exponente puede ser alto.


Grupo TAR 10

La influencia de la concentracin de oxgeno disuelto sobre el grado de

crecimiento T es poco conocida, puesto que interviene la velocidad de difusin a

travs de la membrana citoplsmica. Una concentracin de oxgeno disuelto de 2 mg/l

podramos considerarla como mnima a respetar en cualquier punto del reactor, 4 mg/l

no mejora la tasa de crecimiento en ms de un 10%. Si el nivel de OD es inferior a

este valor, el oxgeno se convierte en nutriente limitante del proceso y puede

ralentizarse o cesar la nitrificacin.

CLASIFICACIN DE LOS PROCESOS

Nitrificacin mediante cultivo en suspensin:

Se realiza en el mismo reactor donde se efecta el tratamiento de la materia

orgnica carbonosa (nitrificacin de una fase) o en un reactor de cultivo independiente,

situado a continuacin del proceso de fangos activos convencional (nitrificacin por

etapas). En este ltimo caso, se emplea un reactor y un decantador del mismo tipo

que los empleados en el proceso de fangos activos.

Nitrificacin mediante cultivo fijo:

Estos sistemas resisten bien las cargas de choque , pero podran dejar pasar el

amoniaco sin oxidar en condiciones de caudal punta. Pueden ser filtros percoladores,

biodiscos, filtros de alta carga. El proceso puede asimismo desarrollarse en el mismo

reactor que el empleado para eliminar la materia carbonosa, sistemas combinados

oxidacin carbonosa-nitrificacin o bien en reactores independientes. En el primer tipo

las capas biolgicas son de mayor espesor, mientras en el segundo son necesarias

bajas cargas de DBO soluble carbonosa ya que el aumento de carga podra producir

un espesor excesivo en la capa biolgica y generar problemas de arrastre de slidos.

Desnitrificacin Biolgica

DESCRIPCIN DEL PROCESO

La eliminacin del nitrgeno en forma de nitrato por conversin a nitrgeno gas

se puede conseguir biolgicamente bajo condiciones anxicas (ausencia de oxgeno

disuelto pero con nitratos y/o nitritos). Puede definirse la desnitrificacin hetertrofa


Grupo TAR 11

como un proceso respiratorio microbiano que suministra a los microorganismos la

energa necesaria para su crecimiento. El nitrgeno molecular obtenido es un gas

inerte que, al contrario que el resto de los compuestos del nitrgeno, no puede

utilizarse para el crecimiento biolgico.

Desde el punto de vista ecolgico, la desnitrificacin transforma el nitrgeno de

formas perjudiciales a formas aceptables por el medio ambiente.

La nitrificacin consigue recuperar una parte de la alcalinidad consumida por la

nitrificacin: 3,5 mg de CaCO3 / mg N-NO3 reducido, asimismo recupera una parte del

oxgeno consumido por la nitrificacin: 2,6 mg de O2 / mg de N-NO3 reducido.

Una veintena de especies aerobias facultativas tienen capacidad para producir

la desnitrificacin. Esto significa que pueden crecer en medio aireado o anxico, pero

no en medio anaerobio. El nmero de especies nitrificantes es mucho ms pequeo.

Estas bacterias son capaces de efectuar la reduccin del nitrato en dos etapas.

El primer paso consiste en la conversin del nitrato en nitrito y a continuacin se

producen xido ntrico, xido nitroso y nitrgeno gas:

NO3- NO2- NO N2O N2

Los ltimos compuestos son gaseosos y se pueden liberar a la atmsfera.

En los sistemas de desnitrificacin el parmetro crtico es la concentracin de

oxgeno disuelto. La presencia de OD suprime el sistema enzimtico necesario para

el desarrollo del proceso de desnitrificacin.

La alcalinidad se produce durante la conversin de nitrato en nitrgeno gas, lo

que provoca un aumento del pH. El pH ptimo se sita entre 7 y 8, con diferentes

valores ptimos que dependen de las diferentes poblaciones bacterianas posibles.

La temperatura afecta a la tasa de eliminacin del nitrato y a la de crecimiento

bacteriano.


Grupo TAR 12

CLASIFICACIN DE LOS PROCESOS

Desnitrificacin mediante cultivo en suspensin:

Se suele llevar a cabo mediante sistemas de fangos activos de flujo en pistn,

por ejemplo a continuacin de cualquier proceso que convierta el amoniaco y el

nitrgeno en nitratos (nitrificacin). Las bacterias anxicas obtienen la energa para el

crecimiento a partir de la conversin del nitrato en nitrgeno gas, pero necesitan una

fuente de carbono para la sntesis celular. Debido a que los efluentes nitrificados

suelen presentar concentraciones bajas de materia carbonosa, es necesario disponer

de una fuente externa de carbono. Para conseguirla en algunos sistemas de

desnitrificacin biolgica se emplea el agua residual cruda o tejido celular. Debido a

que el nitrgeno gas producido en la desnitrificacin dificulta la sedimentacin del licor

mezcla, antes del clarificador se debe instalar un reactor para la eliminacin del

nitrgeno gas.

Desnitrificacin mediante cultivo fijo:

Se lleva a cabo en un reactor en columna que contiene piedras o alguno de los

diversos materiales sintticos sobre los que crecen la bacterias. La necesidad o no de

disponer de un clarificador depender tamao del medio. El arrastre de slidos en el

efluente produce un efecto de purga de aquellos. Para evitar la obstruccin del medio

debida a la presencia de slidos y a las prdidas de carga que ello provoca, es

necesario prever un lavado a contracorriente y/o un lavado con aire peridicos.

Tambin suele ser necesaria una fuente externa de carbono.

En la siguiente tabla, se consideran las ventajas e inconvenientes de las

distintas alternativas citadas:


Grupo TAR 13

SISTEMA VENTAJAS

INCONVENIENTES

SISTEMA COMBINADO OXIDACIN DE CARBN-NITRIFICACIN

Cultivo en Suspensin

Tratamiento combinado de carbono y amoniaco en una sola fase

Bajo contenido de amoniaco en efluente Control estable del licor mezcla debido a la

alta relacin DBO/NTK

Proteccin nula contra txicos Estabilidad de proceso moderada y

vinculada a la operacin del clarificador secundario para el retorno

de la biomasa En climas fros necesidad de grandes

reactores

Cultivo fijo

Tratamiento combinado de carbono y amoniaco en una sola fase

Estabilidad no vinculada al clarificador secundario al estar los organismos fijados

al medio

Proteccin nula contra txicos Estabilidad de proceso moderada

Amoniaco en efluente 1-3 mg/l Inviable en climas fros

SISTEMA NITRIFICACIN POR FASES INDEPENDIENTES

Cultivo en Suspensin

Buena proteccin contra la mayora de los txicos

Operacin estable Bajo contenido de amoniaco en efluente

Requiere cuidadoso control del fango cuando DBO/NTK es baja Estabilidad de proceso moderada y vinculada a la operacin del clarificador secundario

para el retorno de la biomasa Necesidad de un mayor nmero de

procesos unitarios que en los procesos combinados

Cultivo fijo

Buena proteccin contra la mayora de los txicos

Operacin estable Estabilidad no vinculada al clarificador al

estar los organismos fijados al medio

Contenido de amoniaco en el efluente 1-3 mg/l

Necesidad de un mayor nmero de procesos unitarios que en los

procesos combinados

Desarrollo de los procesos de Nitrificacin-Desnitrificacin biolgica

Profundizaremos a continuacin en los sistemas de fango nico o sistemas

combinados que emplean fuentes de carbono internas y endgenas y en los sistemas

por etapas o de dos fangos que emplean metanol u otra fuente de carbono orgnico

externa adecuada.

Sistemas de Nitrificacin-Desnitrificacin conjunta (Fango nico)

En estos procesos las etapas de oxidacin de carbono y de nitrificacin-

desnitrificacin se llevan a cabo conjuntamente en un nico proceso en el que se

consume el carbono que de manera natural existe en el agua residual. De esta forma,

la desnitrificacin se consigue por consumo del carbono presente en el agua residual y

el que queda en los fragmentos de tejido celular bacteriano despus de la degradacin

de los microorganismos. Se emplean en la desnitrificacin una serie de etapas


Grupo TAR 14

aerobias y anxicas alternadas sin sedimentacin intermedia. Las zonas anxicas se

pueden conseguir en canales de oxidacin controlando los niveles de oxigenacin. El

proceso de reactor discontinuo secuencial tambin se adapta bien al establecimiento

de fases aerobias y anxicas durante el ciclo del proceso. Las velocidades de

desnitrificacin en estos sistemas son aproximadamente la mitad que las conseguidas

en sistemas separados.

Las ventajas que presenta este sistema consisten bsicamente en la reduccin

del volumen de aire necesario para conseguir la nitrificacin y la eliminacin de la

DBO5, el no necesitar de fuentes de carbono suplementarias, necesarias para la

desnitrificacin y la eliminacin de los decantadores intermedios y sistemas de

recirculacin de fangos necesarios en los sistemas por etapas separadas.

El rendimiento de estos procesos permite una eliminacin del 60-80% del

nitrgeno total habindose llegado a conseguir eficacias mayores.

Proceso BARDENPHO (Cuatro etapas)

Se trata de un proceso patentado. Para la oxidacin del carbono y nitrificacin

conjunta y la desnitrificacin anxicas se emplean zonas de reaccin separadas.

(Figura (a)).

El agua a tratar entra en una zona de desnitrificacin anxica a la que se

recircula el licor mezcla nitrificado desde un tanque de oxidacin de carbono y

nitrificacin conjunta, situado a continuacin de aquella. El carbono presente en el

agua residual se emplea para desnitrificar el nitrato recirculado. Debido a la alta carga

orgnica, la desnitrificacin tiene lugar rpidamente. El amoniaco contenido en el agua

residual circula a travs de la primera zona anxica sin sufrir modificacin alguna para

su nitrificacin en el primer tanque de aireacin. El licor mezcla nitrificado del primer

tanque de aireacin pasa a una segunda zona anxica, en la que tiene lugar una

segunda desnitrificacin en la que se consume el carbono endgeno. La segunda

zona aerobia es relativamente pequea y se emplea para eliminar por stripping el

nitrgeno gas antes de pasar a la clarificacin. El amoniaco liberado del fango en la

segunda zona anxica tambin se nitrifica en la ltima zona aerobia.


Grupo TAR 15

Este proceso con una modificacin consistente en la adicin de una quinta

etapa, permite la eliminacin conjunta de nitrgeno y fsforo.

Canales de oxidacin

En un canal de oxidacin el licor mezcla fluye dando vueltas en un canal

cerrado, impulsado y aireado por mecanismos de aireacin mecnica. (Fig. (b)).

Cuando se pretende nitrificacin-desnitrificacin, se establece una zona

aerobia en el tramo situado a continuacin del aireador y una zona anxica en el

espacio anterior a aquel. Al alimentar con el agua residual a tratar en el extremo aguas

arriba de la zona anxica, se consume parte del carbono contenido en la misma para

la desnitrificacin. El efluente del reactor se extrae al final de la zona aerobia para su

clarificacin. Los rendimientos en eliminacin de nitrgeno son inferiores a los

obtenidos en el Proceso Bardenpho ya que en este caso slo se cuenta con una zona

anxica.

Sistemas de Nitrificacin-Desnitrificacin en etapas separadas (Fangos

Separados)

A principios de los aos setenta, el sistema de desnitrificacin biolgica de

mayor aceptacin era la incorporacin de un sistema biolgico independiente que


Grupo TAR 16

empleaba metanol como fuente de carbono. Debido a que la oxidacin del carbono y

nitrificacin conjunta y la desnitrificacin se produce en reactores independientes, el

fango se genera por separado en cada reactor (sistema de fangos separados). Este

sistema debe prestar especial cuidado al hecho de que cualquier exceso de carbono

en forma de metanol introducido aparecer como DBO en el efluente.

Si se emplea como fuente de carbono el metanol, la estequiometra del proceso

se puede describir del siguiente modo:

6 NO3 + 5 CH3OH 5 CO2 + 3 N2 + 7 H2O + 6 OH-

Sistemas de Cultivo en Suspensin

El diseo de estos sistemas se parece mucho al de los sistemas de fangos

activos empleados para la eliminacin de carbono orgnico. Se emplean tanto

reactores de mezcla completa como de flujo pistn. Debido a que el nitrgeno gas se

libera durante el proceso de desnitrificacin, ste se adhiere a los slidos biolgicos y

se hace necesario disponer de un elemento para la eliminacin del nitrgeno entre el

reactor y las instalaciones de sedimentacin utilizadas para la separacin fsica de los

slidos biolgicos. La liberacin de las burbujas de nitrgeno gas adheridas se puede

llevar a cabo aireando los canales de conexin del reactor biolgico con los

decantadores o en un tanque independiente en el que se airean los slidos durante un

corto periodo de tiempo (5-10 minutos).

Los MLSSV presentes en los reactores de nitrificacin estn compuestos por

los organismos responsables de la conversin de la DBO y por los responsables de la

nitrificacin. La distribucin de ambos tipos va en funcin del tipo de instalacin.

El efecto de la temperatura sobre el rendimiento del proceso es importante, y

se debe tener siempre en cuenta. La calidad del efluente, medida como concentracin

de amoniaco o de nitrato, empeorar a bajas temperaturas. Por ejemplo, el volumen

de reactor a 10C resulta ser aproximadamente el triple que a 20C. Desde el punto de

vista del proyecto es importante considerar una cierta flexibilidad en la eleccin del

volumen del reactor. Para conseguir un volumen adicional de reactor, se puede utilizar

un reactor de flujo pistn con longitud variable regulada por compuertas de cierre. Lo


Grupo TAR 17

cual permitir aumentar el contenido en slidos del sistema para hacer frente a

condiciones de explotacin en pocas fras que obligaran al uso de reactores

cubiertos.

Sistemas de Pelcula Fija

Los sistemas ms comnmente empleados son los reactores de lecho

fluidificado y los biodiscos (RBC). En los primeros el agua residual a tratar circula

ascensionalmente a travs de un lecho de material granular fino, como la arena, a una

velocidad suficientemente elevada como para suspender o fluidificar el medio. La

fluidificacin aumenta considerablemente la superficie especfica del medio y permite

altas concentraciones de biomasa en el reactor, que requiere un espacio relativamente

pequeo y es sencillo de operar.

El uso de los RBC para la desnitrificacin es parecido al de los procesos

aerobios excepto por el hecho de que el medio se sumerge totalmente para evitar la

oxigenacin del lquido. Para eliminar el exceso de biomasa desprendida es necesario

clarificar despus del tratamiento biolgico.

En la siguiente tabla se establece una comparacin final entre las diferentes

alternativas.


Grupo TAR 18

SISTEMA VENTAJAS

INCONVENIENTES

Oxidacin de Carbono y Nitrificacin-

Desnitrificacin conjunta en un reactor de cultivo en suspensin con fuente de

carbono endgena

No hay que aadir metanol Menor n procesos unitarios Mejor control de organismos

filamentosos Uso de un slo tanque

Adaptable a un reactor de flujo discontinuo secuencial

Adaptable a eliminacin biolgica de fsforo

Velocidad de desnitrificacin muy lenta

Mayores tiempos retencin Estabilidad de operacin dependiente

de decantacin por recirculacin biomasa

Difcil optimizacin por separado de los procesos de N-D

La biomasa precisa de un nivel de OD para llevar a cabo la nitrificacin

Menor eliminacin nitrgeno

Oxidacin de Carbono y Nitrificacin-

Desnitrificacin conjunta en un reactor de cultivo en

suspensin con agua residual como fuente de

carbono

No hay que aadir metanol Menor n procesos unitarios Mejor control de organismos

filamentosos Puede usarse un slo tanque

Adaptable a un reactor de flujo discontinuo secuencial

Adaptable a eliminacin de P por va biolgica

Velocidad desnitrificacin lenta

Mayores tiempos retencin Estabilidad de operacin dependiente


Difcil optimizacin por separado de procesos de N-D

La biomasa precisa de un nivel de OD para llevar a cabo la nitrificacin

Menor eliminacin nitrgeno

Cultivo en suspensin con metanol tras una etapa de

nitrificacin

Desnitrificacin rpida

Tretencin cortos Estabilidad de operacin

Pocas limitaciones en opciones de tratamiento

Fcil incorporacin de la oxidacin del exceso de

metanol Optimizacin por separado de

procesos Mayor eliminacin de N

Necesidad de aadir metanol Estabilidad de operacin dependiente


Mayor n procesos unitarios

Cultivo fijo con metanol tras una etapa de

nitrificacin

Desnitrificacin rpida

Tretencin cortos Estabilidad de operacin (No

ligada a decantacin (organismos en el medio)

Pocas limitaciones en opciones de tratamiento

Optimizacin por separado de procesos

Mayor eliminacin de N

Necesidad de aadir metanol Incorporacin de etapa de oxidacin del

exceso de metanol no fcil Mayor n procesos unitarios


Grupo TAR 19

5. FSFORO

El fsforo favorece la eutrofizacin. Es un elemento esencial para la vida

biolgica tanto para los organismos inferiores como para las estructuras ms

complejas. El papel del fsforo en la vida es de gran complejidad ya que interviene en

la formacin de mltiples constituyentes de las clulas. En particular: la membrana

citoplsmica y el ADN, las enzimas transferasas ADP y ATP capaces de almacenar o

devolver energa pasando de una forma a otra y las enzimas polifosfatasas-kinasas,

capaces de almacenar o restituir los polifosfatos

EL FSFORO EN EL AGUA RESIDUAL

Resulta interesante relacionar la concentracin de fsforo con la de la DBO,

comprobndose que el valor ms probable se sita alrededor del 4,5% (P/DBO).

Se estima que al menos el 85% del fsforo vertido procede de aguas residuales

urbanas, suponiendo un nivel de vida adecuado con instalaciones sanitarias

completas. Esta fraccin procede de los desechos humanos y de los detergentes. El

15% restante es causado por la agricultura, siendo su influencia relativamente

pequea, debido a que al contrario que en el caso de los nitratos, el fsforo se absorbe

y se almacena bien en el suelo.

El fsforo aparece como fosfato en las aguas residuales adoptando las

siguientes formas:

Ortofosfatos (PO4-3): Fcilmente precipitables, pueden proceder directamente

de los vertidos o del resultado de una degradacin en el proceso del

tratamiento de los polifosfatos orgnicos o inorgnicos

Polifosfatos (P2O7): Orgnicos o inorgnicos que bien pueden degradarse a

ortofosfatos o bien permanecer inertes. A su vez pueden estar en suspensin o

en solucin ms o menos sedimentable.

Las proporciones entre estas diversas formas son muy variables siendo difcil

aportar datos muy concretos.


Grupo TAR 20

En un agua residual bruta, los ortofosfatos pueden representar del 15 al 35%

de los fosfatos totales. En las decantadas la proporcin aumenta en un 5 a un 10%.

Tras un tratamiento secundario (biolgico) la fraccin de ortofosfatos llega a alcanzar

del 50 al 90%. Las formas orgnicas representaran del orden de un 30%.

Slo una reducida fraccin de los fosfatos (en su mayora de origen orgnico)

es sedimentable, aproximadamente el 10% del total.

6. ELIMINACIN BIOLGICA DEL FSFORO

Los principales procesos para la eliminacin o disminucin del contenido en

fsforo de las aguas residuales son los siguientes:

Biolgicos:

Conjuntamente con el nitrgeno

Con o sin eliminacin de nitrgeno

Qumicos:

Pre-precipitacin

Post-precipitacin

Precipitacin simultnea

Precipitacin simultnea y Post-precipitacin

Mixtos

PROCESOS BIOLGICOS

Los microorganismos utilizan el fsforo para la sntesis celular y en el

transporte de energa. Como consecuencia de ello, entre el 10 y el 30% del fsforo se

elimina durante el tratamiento biolgico secundario. Para conseguir niveles de fsforo

bajos en el efluente, es necesario eliminar ms cantidad de la imprescindible para el

mantenimiento y sntesis celular. Bajo ciertas condiciones aerobias los

microorganismos pueden consumir ms fsforo del necesario. Las clulas pueden

eliminar fsforo bajo condiciones anxicas. La eliminacin biolgica del fsforo se

consigue generando en los reactores las condiciones ambientales adecuadas de

manera secuencial.


Grupo TAR 21

Uno de los principales microorganismos responsables de la eliminacin del

fsforo son los Acinetobacter. Estos organismos liberan el fsforo almacenado como

respuesta en condiciones anaerobias a la presencia en el agua residual de cidos

grasos voltiles (AGV). En su competencia por la supervivencia con los organismos

hetertrofos, los AGV son un sustrato importante para los Acinetobacter. Cuando una

zona aerbica (xica) sigue a una zona anaerbica los microorganismos consumen

ms fsforo de lo habitual. En este caso no solo lo utilizan para el mantenimiento y

sntesis celular y transporte de energa sino que adems lo almacenan para su uso

posterior. El fango que contiene el exceso de fsforo se purga o se evacua a una lnea

auxiliar para eliminacin de dicho exceso. La liberacin del fsforo se produce bajo

condiciones anxicas. Por tanto es necesario disponer de zonas aerobias y anaerobias

dentro del mismo reactor.

Existen dos mecanismos para la eliminacin del fsforo: la purga del fango y el

tratamiento en lnea auxiliar. Los distintos procesos de eliminacin se basan en alguno

de estos mecanismos, siendo dos de los ms utilizados el PhoStrip y el Bardenpho.

Ambos realizan la secuencia entre los contactos anaerobios y aerobios con pequeas

modificaciones. En el primero se utiliza la liberacin biolgica del fsforo en

condiciones anxicas para concentrar el nutriente en una lnea auxiliar para su

tratamiento qumico. Normalmente se aade cal para precipitar el fsforo.

En el segundo, para conseguir la eliminacin tanto de nitrgeno como de

fsforo se sigue una secuencia de condiciones anaerobias, anxicas y aerobias. El

fsforo se elimina mediante la purga de fango.

Existe un acuerdo general acerca de las condiciones adecuadas para una

correcta eliminacin del fsforo:

1. El reactor de aireacin debe ser en flujo pistn, con una relacin longitud-

anchura no inferior a 20.

2. Deben evitarse los procesos de mezcla completa y alimentacin escalonada,

no utilizando tampoco el de contacto-estabilizacin.

3. Introducir en cabecera de tratamiento tanto los fangos como el agua.


Grupo TAR 22

4. No utilizar aireacin escalonada para limitar la concentracin de oxgeno aguas

abajo del reactor, por el contrario, antes de entrar en el clarificador son aconsejables

concentraciones de 3 4 mg/l.

5. La tasa de nitrificacin debe minimizarse. (Existe una oposicin entre las

condiciones para una buena nitrificacin, edad del fango alta, y una buena eliminacin

de fsforo, edad del fango baja.)

6. Retorno rpido de los fangos del decantador secundario. Las condiciones de

anaerobiosis provocan la solubilizacin del fsforo.

7. El tratamiento de los fangos debe evitar la solubilizacin del fsforo ya que

retornara a cabecera de la instalacin.

A estas condiciones generales pueden aadirse otras dos:

Paso del licor o la recirculacin de fangos por un reactor anaerobio que permita

el desprendimiento del fsforo y a continuacin por una fase aerobia que permita su

precipitacin o absorcin por la masa bacteriana.

Especial atencin a la presencia de nitratos en el reactor anaerobio pues

aparece el riesgo de aumentar el potencial de oxidacin-reduccin y hacer

desaparecer las condiciones de anaerobiosis.

a. Clasificacin de los procesos de eliminacin La eliminacin del fsforo mediante un proceso biolgico se realiza, como se

ha descrito anteriormente, mediante la incorporacin de ortofosfato, polifosfato y

fsforo orgnico al tejido celular. La cantidad total de fsforo eliminado depende de la

produccin de neta de slidos, siendo el contenido en fsforo del tejido celular del

orden de una quinta parte del contenido en nitrgeno, el contenido real de fsforo

puede variar entre una sptima y una tercera parte del contenido en nitrgeno en

funcin de las condiciones ambientales especficas. El factor crtico en la eliminacin

biolgica del fsforo es la exposicin de los organismos a secuencias alternadas de

condiciones aerobias y anaerobias, forzndose a los microorganismos a consumir

cantidades de fsforo superiores a los consumos normales. La exposicin alternada a

estas condiciones se puede conseguir en el proceso de tratamiento biolgico principal

o en la lnea de recirculacin o corriente auxiliar.


Grupo TAR 23

Para satisfacer los principios anteriores existen una serie de procesos que se

describen a continuacin:

Proceso A/O (Eliminacin de fsforo en la corriente principal)

Este proceso, patentado, es muy sencillo y se utiliza para llevar a cabo

conjuntamente la oxidacin del carbono y la eliminacin de fsforo del agua residual.

Se trata de un cultivo en suspensin de fango nico que combina secuencialmente

etapas aerobias y anaerobias. Si se quiere que, adicionalmente, se produzca la

nitrificacin es necesario procurar el suficiente tiempo de retencin en la fase aerobia.

El fango sedimentado se recircula a la entrada del reactor y se mezcla con el agua

residual entrante. Bajo condiciones anaerobias el fsforo presente en el agua residual

y en la masa celular recirculada se libera en forma de fosfatos solubles. En esta etapa

tambin se produce una cierta eliminacin de DBO. A continuacin el fsforo es

asimilado por la masa celular de la zona aerobia. El fsforo se separa de la corriente

lquida a travs de la purga de fango activo. La concentracin de fsforo en el efluente

depende, principalmente, de la relacin DBO/P en el agua residual afluente. Cuando

dicha relacin es superior a 10:1 se pueden alcanzar concentraciones de fsforo

soluble en el efluente iguales o inferiores a 1 mg/l. Si la relacin es inferior, para

conseguir concentraciones bajas de fsforo en el efluente, se pueden aadir sales

metlicas al proceso.

Proceso PhoStrip (Eliminacin de fsforo en la lnea auxiliar)

En este proceso, tambin patentado, se desva a un tanque anaerobio de

eliminacin de fsforo, una parte del fango de recirculacin del tratamiento biolgico.

El fsforo liberado en el tanque anaerobio se extrae junto con los sobrenadantes y el

fango activo de bajo contenido en fsforo se recircula al tanque de aireacin.

El sobrenadante, rico en fsforo se trata con cal o con otro coagulante en un

tanque independiente y se conduce a los tanques de decantacin primaria o a un

tanque de floculacin/clarificacin independiente para separar los slidos. El fsforo se

extrae del sistema como componente del precipitado qumico. Estos sistemas y los de

fangos activos asociados son capaces de conseguir efluentes con contenidos en

fsforo inferiores a 1,5 mg/l.


Grupo TAR 24

Reactor discontinuo secuencial (RDS)

El RDS se puede emplear para conseguir un proceso combinado de oxidacin

de carbono, reduccin de nitrgeno y eliminacin de fsforo. Todo ello con o sin

adicin de productos qumicos cambiando el rgimen de funcionamiento del reactor.

Una primera fase anaerobia consigue la liberacin del fsforo y el consumo de la DBO

mientras que el consumo de fsforo por parte de los microorganismos se producir en

la fase aerobia situada a continuacin. Modificando los tiempos de reaccin se puede

conseguir la nitrificacin o eliminacin de nitrgeno. Para poder llevar a cabo la

desnitrificacin, en la fase anxica es necesario disponer de una fuente de carbono ya

sea externa o por la respiracin endgena de la biomasa presente. En la tabla

siguiente se realiza una comparacin entre los diferentes procesos de eliminacin

biolgica del fsforo:

PROCESO VENTAJAS

INCONVENIENTES

A/O

Operacin relativamente sencilla Fango purgado: Contenido en P(3-5%),

valor como fertilizante Tiempo de retencin hidrulico

relativamente corto Para niveles bajos de eliminacin de P, posible conseguir nitrificacin completa

Incapaz de conseguir simultneamente elevada

eliminacin de N y P Funcionamiento incierto en climas

fros Necesario relacin elevada DBO/P Si el tiempo de retencin celular en

fase aerobia es corto necesarios dispositivos que suministren

elevadas tasas de transferencia de O2

Control del proceso poca flexibilidad

PhoStrip

Fcilmente incorporable a plantas de fangos activos existentes

Poco flexible, el proceso de eliminacin de fsforo no est gobernado por la tasa

DBO/P Consumo reactivos < Plantas con

precipitacin en lnea principal Concentraciones de fosfato en efluente

< 1,5 mg/l

La precipitacin de fsforo implica la adicin de cal

Necesarias cantidades elevadas de OD en licor mezcla para evitar

liberacin de P en decantador final Respiracin anaerobia precisa

tanques adicionales Formacin de incrustaciones calcreas (mantenimiento)

Reactor de Flujo Discontinuo Secuencial

Muy flexible en eliminacin conjunta de N y P

Operacin sencilla Cargas Hidrulicas elevadas no

producen arrastres en LM

Aplicacin caudales bajos Necesario disponer de unidades

fsicas repetidas Calidad del efluente depende de la

fiabilidad de las instalaciones de vaciado

Existe poca informacin


Grupo TAR 25

b. ELIMINACIN CONJUNTA DE NITRGENO Y FSFORO

Se han desarrollado numerosos procesos biolgicos para la eliminacin

conjunta de N y P, stos son los principales:

El Proceso PHOREDOX (BARDENPHO) que permite una buena nitrificacin-

desnitrificacin de manera que la recirculacin de fangos tomada del clarificador

aporta muy pocos nitratos al reactor anaerobio.

El sistema UCT parte de una idea diferente: una desnitrificacin no siempre es

necesaria y a veces es imposible de conseguir cuando la relacin NTK/DBO del agua

a tratar es muy alta. En este caso, es suficiente con una nitrificacin con dos reactores

(anxico-aerobio). Para evitar la introduccin de nitratos en la zona anaerobia con los

fangos recirculados, stos se conducen al reactor anxico y con otra recirculacin

complementaria se introduce licor desnitrificado en cabeza del reactor anaerobio en el

que se mezcla con el agua a tratar.

Ambos sistemas pueden compararse de la siguiente manera:

Cuando es posible una alta desnitrificacin debido a que existe una

proporcin suficiente de contaminacin carbonada con relacin al NTK, los dos

sistemas funcionan bien pero el PHOREDOX es ms fcil de explotar. Adems, el

reactor anaerobio del proceso UCT recibe licor desnitrificado y no fangos

concentrados, con lo cual la concentracin del reactor es la mitad del mtodo

PHOREDOX, por lo tanto necesita un volumen doble para la misma fraccin

anaerobia.

Cuando la desnitrificacin no puede ser muy elevada, a causa de una

contaminacin carbonada insuficiente, el sistema UCT es mucho ms apropiado que el

PHOREDOX.

Sistema PHOREDOX

Por razones del nombre comercial el proceso PHOREDOX se llama a veces

BARDENPHO modificado. Se compone de los 4 reactores de un sistema

BARDENPHO (anoxia-aerobia-anoxia-aerobia) a los cuales se les aade un quinto


Grupo TAR 26

reactor anaerobio y adems, la recirculacin principal, en lugar de enviarse al primer

reactor anxico, se conduce a la entrada del reactor anaerobio.

Proceso A2/O

Este proceso, patentado, es una modificacin del A/O que incorpora una zona

anxica para conseguir la desnitrificacin, esta zona dispone de nitratos o nitritos

gracias a la recirculacin desde la zona aerobia, del licor mezcla nitrificado. Se pueden

conseguir concentraciones de P en el efluente inferiores a 2 mg/l.

Proceso UCT

Se compone de tres reactores (anaerobio-anxico-aerobio), la recirculacin

principal se conduce a la entrada del reactor anxico; una recirculacin anexa permite

aumenta el grado de desnitrificacin; una segunda recirculacin auxiliar alimenta el

reactor anaerobio con licor desnitrificado tomado a la salida de la cuba anxica. Si la

contaminacin carbonosa es insuficiente, solamente es necesario actuar sobre la

recirculacin anexa para limitar los nitratos aportados por esta recirculacin, incluso

suprimindola. En realidad es un proceso parecido al A2/O salvo en dos excepciones:

El fango activo de retorno no se recircula a la zona aerobia sino a la anxica, mientras

que la recirculacin interna se realiza de la etapa anxica a la anaerobia. Con la

primera actuacin se elimina la introduccin de nitrato en la zona anaerobia, lo cual

mejora la liberacin del fsforo en la fase anaerobia. El sistema de recirculacin

interna consigue mejorar la utilizacin de la materia orgnica en la etapa anaerobia. El

licor mezcla de la fase anxica contiene una cantidad apreciable de DBO soluble pero

escaso nitrato. La recirculacin del lquido mezcla desde la zona anxica proporciona

las condiciones ptimas para la fermentacin en fase anaerobia.

En la tabla adjunta se recogen las principales ventajas e inconvenientes de

estos sistemas:


Grupo TAR 27

PROCESO

VENTAJAS INCONVENIENTES

A2/O

Fango purgado: Contenido en P(3-5%), valor como

fertilizante Proporciona mejor capacidad de

desnitrificacin que el A/O

Funcionamiento incierto en climas fros

Mayor complejidad que el A/O

BARDENPHO

Mtodo que registra la menor produccin de fangos

Fango purgado contenido relativamente alto en P. Valor como

fertilizante Nitrgeno total reducido a niveles

inferiores a los de los otros procesos La alcalinidad se devuelve al sistema, reduciendo o eliminando la necesidad

de reactivos qumicos

Elevada recirculacin interna, aumenta necesidades

energticas para bombeos (mantenimiento)

Necesidades de reactivos qumicos no estn claramente

establecidas Mayor volumen de reactor que

A2/O La decantacin primaria reduce la capacidad de eliminacin de N y

P Necesita altas tasas DBO/P Efectos de la temperatura

indeterminados

UCT

La recirculacin a la zona anxica elimina la recirculacin de nitrato y

proporciona mejores condiciones para la eliminacin de fsforo en la zona

anaerobia. Volumen de reactor necesario inferior

a Bardenpho.

Elevada recirculacin interna aumenta necesidades

energticas para bombeos (mantenimiento) Necesidades de

reactivos qumicos no estn claramente establecidas Necesita altas tasas DBO/P Efectos de la

temperatura indeterminados

Eliminacion Biologica de Nutrientes 2011

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