Procedimiento para eliminar un contaminante de carbono y nitrógeno de las aguas residuales usando la bacteria heterótrofa de oxidación de amoniaco (HAOB),

que comprende las siguientes etapas: (A) Cultivo de lodo activado con HAOB: siembra de tierras naturales que contienen HAOB en un sustrato que contiene carbono y nitrógeno orgánico y/o nitrógeno de amoniaco inorgánico, y aeración en un reactor mientras se mantiene el pH dentro del intervalo de 6,5 a 8.5, en el que si el sustrato contiene nitrógeno de amoniaco, se suministra una fuente de carbono orgánico en lotes; detención de la aeración cuando la concentración de nitrógeno de amoniaco está por debajo de 3 mg/l y la acumulación de NO2--N alcance una cantidad máxima, manteniendo un entorno anóxico, y añadiendo una fuente de carbono orgánico para permitir que la desnitrificación tenga lugar hasta que el total de las concentraciones de NO2--N y NO3--N sea menor de 1 mg/l; y (B) Eliminación de carbono y nitrógeno de las aguas residuales; siembra del lodo activado producido a partir de la etapa (A) en un reactor de tratamiento biológico que contiene aguas residuales que comprenden carbono y nitrógeno orgánico y/o nitrógeno de amoniaco inorgánico, y aeración para permitir que la oxidación del amoniaco tenga lugar, en el que si las aguas residuales no contienen carbono orgánico, al reactor se le añade una fuente de carbono orgánico adicional; y detención de la aeración cuando se ha acumulado nitrito, manteniendo una condición anóxica, y adición de una fuente de carbono orgánico para permitir que la desnitrificación tenga lugar hasta que el nitrito no esté presente, en el que las HAOB son bacterias heterótrofas que son capaces de realizar la amonificación, la oxidación del amoniaco y la desnitrificación (reducción de nitrito y nitrato), y que tienen las siguientes características: capacidad para crecer en una placa PM y dar un resultado positivo cuando el reactivo de Griess-Ilosvay se aplica directamente; capacidad para oxidar directamente amoniaco para dar N2, NO2- o NO3- en condiciones aeróbicas en presencia de una fuente de carbono orgánico; y capacidad para eliminar nitrógeno a través de la desnitrificación con NO2- y NO3- como receptores de electrones y BOD como donante de electrones en condiciones aeróbicas o anaeróbicas

Procedimiento para la eliminación de la contaminación de C y N utilizando bacterias heterótrofas oxidantes de amoniaco.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un procedimiento de tratamiento de aguas residuales, en particular, un procedimiento biológico para eliminar los contaminantes de carbono y nitrógeno de las aguas residuales.

Antecedentes

Las sustancias contaminantes y nutritivas de consumo de oxígeno presentes en el agua, tales como carbono (C), nitrógeno (N) y fósforo (P) orgánicos, son los principales contaminantes que causan el deterioro de la calidad natural del agua. El método más ampliamente usado para la eliminación de carbono orgánico (COD o DBO) es el proceso de lodo activado, es decir, un proceso de tratamiento biológico de aguas residuales secundario, que se inventó entre 1898 y 1914. La eficacia de la eliminación del carbono orgánico alcanza el 90-95%. En este proceso de tratamiento biológico, las sustancias orgánicas se oxidan y se descomponen por heterótrofos. Parte del carbono, nitrógeno, fósforo y azufre se asimila a las células bacterianas y se vierte en forma de exceso de lodo; el carbono orgánico restante se oxida para dar CO₂ por disimilación y después se elimina. La energía producida en el proceso es necesaria por el crecimiento y el metabolismo de los heterótrofos. El resto de las sustancias inorgánicas, tales como nitrógeno, fósforo y azufre se vierten junto con el agua en forma de NH₃, NO₂^-, NO₃^-, PO₄^3-, SO₄^2-, etc.

Los procedimientos biológicos convencionales destinados a eliminar el carbono orgánico (COD) son insuficientes para la eliminación de amoniaco. La proporción de carbono, nitrógeno y fósforo en el efluente del proceso de tratamiento secundario tradicional es aproximadamente C (BOD): N:P = 10:20:1. Por lo tanto, el proceso es capaz de eliminar el 90% del BOD, pero sólo aproximadamente el 20%-30% del nitrógeno. El nitrógeno soluble al 70%-80% restante en el agua residual es uno de los factores causantes de la eutrofización.

Habitualmente se ha reconocido que los peligros del amoniaco en el ecosistema del agua son sólo secundarios al carbono orgánico. Y a pesar de que se han construido grandes instalaciones de tratamiento de aguas residuales municipales y funcionan para eliminar el carbono orgánico, la contaminación de amoniaco aún causa un problema.

Se ha demostrado que el procedimiento biológico es eficaz para la eliminación del carbono orgánico, pero aún ha de investigarse cómo eliminar el nitrógeno a gran escala de forma eficaz y económica.

Las tecnologías de tratamiento de aguas residuales convencionales para la eliminación de carbono y nitrógeno orgánico se basan en la teoría microbiológica y principios tecnológicos que combinan tres procesos: degradación del carbono orgánico y la "amonificación" de nitrógeno orgánico por heterótrofos, "nitrificación" de amoniaco y nitrito realizada por autótrofos, y "desnitrificación" por heterótrofos anaerobios (facultativos). Los tres procesos anteriores pueden demostrarse como se indica a continuación:

Algunas de las características principales de las tres etapas se enumeran como se indica a continuación:

- La amonificación se facilita por el crecimiento de heterótrofos de diversos géneros en los que el nitrógeno orgánico se convierte en nitrógeno inorgánico, es decir, amoniaco;

- La nitrificación se facilita por el crecimiento de autótrofos aerobios obligados de diversos géneros en los que el amoniaco se oxida para dar nitrito y el nitrito se oxida adicionalmente para dar nitrato; los Nitrosomonas y los Nitrobacter son típicos de estas especies quimiolitotróficas que realizan los dos procesos de oxidación, respectivamente.

- La desnitrificación se facilita por el crecimiento de heterótrofos de diversos géneros en los que el nitrato se reduce para dar gas nitrógeno.

Por lo tanto, desde el punto microbiológico, el mecanismo de eliminación del nitrógeno y el carbono sigue un modelo como utilización de bacterias heterótrofas rightarrow utilización de bacterias autótrofas rightarrow utilización de bacterias heterótrofas.

Desde una perspectiva de eliminación de nitrógeno, el sistema de lodo activado convencional en el que la eliminación de sustancias orgánicas y la amonificación tienen lugar en el mismo reactor, pueden considerarse como un proceso de nitrificación de una sola etapa. De acuerdo con el modelo anterior, la nitrificación se facilita por el crecimiento de autótrofos, y la desnitrificación se facilita por el crecimiento de heterótrofos. En este proceso de nitrificación de una sola etapa, la velocidad de crecimiento y la velocidad de utilización de oxígeno y nutrientes de los heterótrofos implicados en la oxidación de carbono orgánico son mayores que las de los autótrofos de nitrificación, por lo tanto, los heterótrofos predominan sobre los autótrofos, lo que conduce finalmente a una nitrificación de baja eficiencia.

El fenómeno de la nitrificación de baja eficacia a menudo se observa en el proceso de tratamiento secundario, que al parecer refuerza el hecho de que las bacterias nitrificantes son de hecho autótrofas en la naturaleza. Los investigadores, sin duda, creen que las sustancias orgánicas inhiben el crecimiento y la actividad fisiológica de las bacterias autótrofas oxidantes de amoniaco en el sistema de tratamiento de aguas residuales destinadas a la eliminación de contaminantes de C y N.

De acuerdo con esta teoría, se producen procesos de tratamiento de lodo activado de dos fases o multifase con el fin de eliminar los efectos adversos de las sustancias orgánicas de la nitrificación separando el proceso de eliminación orgánico y la nitrificación (y la desnitrificación) en dos (o tres) reactores separados. Sin embargo, el proceso de tratamiento de lodo activado multifase no ha conseguido una amplia aplicación debido a su alta inversión y coste de funcionamiento.

Por tanto, es comprensible que ante el avance de la teoría, los ingenieros y diseñadores han concebido una serie de tecnologías de lodo activado de una sola etapa mejoradas para eliminar el nitrógeno. Estos procesos combinan la zona de nitrificación aeróbica y la zona de desnitrificación anóxica en un solo sistema, tal como PHOREDOX (A/O), A²/O, UCT (o MUCT) y VIP etc. Sin embargo, las operaciones de estos sistemas siguen siendo complicadas a pesar de que han mejorado la eliminación de carbono y nitrógeno.

La eficacia de eliminación de carbono y nitrógeno orgánico se ve limitada a la raíz por las características biológicas de las bacterias durante la nitrificación. Dado que la operación de las plantas de tratamiento de aguas residuales está bajo la dirección de la teoría del metabolismo de la nitrificación autotrófica, existen mayores inconvenientes en la aplicación de estos métodos convencionales: - Lenta velocidad del crecimiento celular, baja producción de lodo y escasa capacidad de sedimentación del lodo de las bacterias nitrificantes que hacen difícil de mantener una alta concentración de biomasa de las bacterias nitrificantes; - Muchos sistemas de lodos activados carecen de nitrificación eficaz, especialmente durante el invierno cuando la temperatura cae por debajo de 15ºC, lo que da como resultado un largo tiempo de retención hidráulico (HRT) y bajo nivel de carga orgánica en el sistema; - Parte del efluente y el lodo tiene que ser devueltos al tanque para lograr una mayor concentración de biomasa y una eliminación del nitrógeno más eficaz; - La adición de alcalinos para mantener el nivel de pH conduce a mayores costes de funcionamiento; - Los procesos convencionales de nitrificación tienden a tener resultados extremos: no se produce la oxidación de amoniaco en absoluto, ni la oxidación completa para dar nitrato; - Los métodos convencionales son a menudo inadecuados para aguas enriquecidas con nitrógeno con un contenido de nitrógeno superior a 200 mg/l.

En todos, el procedimiento de nitrificación-desnitrificación tradicional es inadecuado para prevenir la contaminación por nitrógeno del medio ambiente.

Sin embargo, se han realizado extensos e intensivos estudios sobre la eliminación biológica de N en muchos países desarrollados,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para eliminar un contaminante de carbono y nitrógeno de las aguas residuales usando la bacteria heterótrofa de oxidación de amoniaco (HAOB), que comprende las siguientes etapas: