Método de puesta en marcha y control de un proceso biológico para eliminación de amonio mediante la acción de bacterias autótrofas en aguas residuales.

Método de puesta en marcha y control de un proceso biológico para eliminación de amonio mediante la acción de bacterias autótrofas en aguas residuales.

La invención se refiere a un método de puesta en marcha y control de un proceso biológico para eliminar el nitrógeno contenido en aguas residuales mediante una etapa combinada de nitrificación y oxidación anaerobia del ión amonio (Anammox), con bacterias oxidantes y bacterias autótrofas desnitrificantes del filo Planctomycetes, estando ambas poblaciones dispuestas en forma de biopelícula en un mismo reactor, las bacterias oxidantes en el exterior de la biopelícula y las bacterias autótrofas en el interior de la biopelícula creando una zona anóxica, caracterizado porque el reactor se alimenta con un flujo de las aguas residuales y se inyecta aire/oxígeno al interior del mismo de forma continua hasta su parada, manteniendo la dosis de oxígeno disuelto en el reactor a un nivel mayor de 0,6 mg/l, y controlando el aporte de aire/oxígeno al reactor, el tiempo de residencia hidráulico y la alcalinidad en la alimentación.

MÉTODO DE PUESTA EN MARCHA Y CONTROL DE UN PROCESO BIOLÓGICO PARA ELIMINACIÓN DE AMONIO MEDIANTE LA ACCIÓN DE BACTERIAS AUTÓTROFAS EN AGUAS RESIDUALES

Campo de la invención La presente invención se engloba en el área de tratamiento de aguas residuales que presentan una relación materia orgánica biodegradable/nitrógeno inferior a 2 kg DQObiodegradable/kg N. Estas aguas se caracterizan por tener un alto contenido en nitrógeno, como son los vertidos y las aguas residuales, especialmente las aguas y vertidos urbanos tratados en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) , y más especialmente los efluentes líquidos de digestores anaerobios de las EDARs, que presentan una alta concentración de amonio como resultado de dicho proceso fermentativo. Un ejemplo de corriente susceptible de ser tratada a través de esta invención es el escurrido del sistema de deshidratación de fango digerido en la línea de lodo de una EDAR.

Estado de la técnica La eliminación de nutrientes (principalmente nitrógeno N y fósforo P) en las aguas residuales es necesaria para evitar la proliferación de algas o eutrofización de las aguas receptoras. El vertido de estos compuestos está limitado por la Directiva Europea de aguas residuales urbanas y por lo tanto es necesario llevar a cabo su eliminación en las EDARs. El escurrido del sistema de deshidratación de fangos digeridos forma parte de la corriente de retorno y en la actualidad se devuelve a la cabecera de la depuradora sin tratamiento alguno. Sin embargo, esta corriente es la corriente líquida más cargada en nitrógeno de la planta, y su carga equivale a alrededor del 20% de la carga de entrada a la misma. La retirada de nitrógeno especialmente en esa corriente mejora la eficiencia global de la depuradora en cuanto a eliminación de nitrógeno y eficiencia energética.

Eliminación de nitrógeno La eliminación del nitrógeno presente en las aguas residuales urbanas y en gran parte de las aguas industriales, se lleva a cabo tradicionalmente mediante la combinación de los procesos biológicos de nitrificación y desnitrificación. La nitrificación es la oxidación a nitrito o nitrato del amonio. Este proceso consta de dos etapas, la oxidación del nitrógeno amoniacal a nitrito y la posterior oxidación de éste a nitrato (ecuaciones [1] y [2]) y lo llevan a cabo bacterias autótrofas oxidantes de amonio (BOA) y oxidantes de nitrito (BON) .

-

NH4+ + 1.5 O2 → NO2 + H2O + 2 H+ [1] NO2-+ 0.5 O2 → NO3-[2]

Durante la desnitrificación se reducen el nitrato y el nitrito formados a nitrógeno gas bajo condiciones anóxicas, consumiéndose materia orgánica (ecuación [3]) . Este proceso lo llevan a cabo bacterias heterótrofas desnitrificantes.

8NO3-+ 5CH3COOH → 8HCO3-+ 6H2O + 2CO2 + 4N2 [3]

Las unidades de lodos activos convencionales pueden diseñarse para eliminar nitrógeno mediante asimilación y 45 nitrificación/desnitrificación cuando se cumple:

-una edad de lodo larga para mantener las bacterias nitrificantes (alrededor de 10 días a

temperaturas de 15 ºC) .

-un capacidad de oxigenación de 4, 7 kg O2/kg N.

-una relación DQObiodegradable/N mayor de 5 kg/kg. Si esa relación es inferior a 5 se necesita añadir

una fuente de carbono externa, lo que encarece la operación.

Para el tratamiento de aguas con una relación DQObiodegradable/N baja ha surgido en los últimos años un proceso nuevo: el proceso Anammox.

Proceso Anammox

El proceso Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) fue descubierto hace aproximadamente 15 años en la Universidad Técnica de Delft (Países Bajos) durante la operación de una planta piloto desnitrificante, tratando aguas residuales de una planta de levaduras. Este proceso lo realiza un grupo de bacterias autótrofas capaz de oxidar el amonio a nitrógeno gas utilizando nitrito como aceptor de electrones (ecuación [4]) , sin necesidad de aportar materia orgánica ni oxígeno:

NH4+ + 1, 32 NO2 + 0, 066 HCO3 + 0, 13 H+ → N2 + 0, 26 NO3 + 0, 066 CH2O0, 5N0, 15 + 2 H2O [4] 65

Las bacterias que realizan el proceso Anammox pertenecen al género Planctomycetes, siendo su temperatura y pH óptimos de 35ºC y 8.0, respectivamente. La productividad de estas bacterias es baja y su tiempo de duplicación es alto (10 días a 35ºC) . Con esa baja tasa de crecimiento, las puestas en marcha de los reactores se alargan mucho en el tiempo, de ahí que sea necesaria la operación del proceso en reactores que tengan buena capacidad de retención de biomasa. Otra característica de estos microorganismos es que su actividad se ve inhibida en presencia de altas concentraciones de oxígeno, nitrito o materia orgánica.

Para poder aplicar el proceso Anammox a la eliminación de nitrógeno de las aguas residuales es necesario disponer de un efluente con concentraciones adecuadas de nitrito y amonio. El amonio está presente en los efluentes de digestores de lodos mientras que el nitrito se puede generar mediante la oxidación previa del 50% del amonio a nitrito.

Dos configuraciones alternativas son posibles para llevar a cabo el proceso de eliminación autótrofa de nitrógeno:

1) Procesos en dos etapas: nitrificación parcial del 50% del amonio a nitrito en el primer reactor que alimentaría un posterior reactor Anammox (WO9807664 (A1) ) , 2) Realización conjunta de las dos etapas de la eliminación autótrofa de nitrógeno en un único reactor, este proceso ha recibido diferentes nombres:

o CANON: Complete Autotrophic Nitrite-removal Over Nitrite;

o OLAND: Oxygen Limited Nitrification Denitrification;

o DEMON o DEAMON para deammonification, etc.

Para que el proceso de nitrificación parcial (reacción aerobia) y el proceso Anammox (reacción anóxica) sucedan en un único reactor, la biomasa ha de crecer en forma de biopelícula. Al crecer de esa forma se crea un gradiente de concentraciones a lo largo de dicha biopelícula que permite tener una zona aerobia, la que está en contacto con el medio aireado, y una zona anóxica más interna (ver Figura 1) .

La presente invención se propone como alternativa para solventar los problemas detectados en el campo de la técnica relacionado con el tratamiento de aguas residuales y la eliminación del nitrógeno que contienen, como son principalmente:

1. la lenta puesta en marcha del proceso debido al lento crecimiento de las bacterias anammox,

2. lo complicado que es evitar la oxidación de nitrito a nitrato, un proceso no deseado y que puede conllevar a la desaparición de las bacterias anammox del sistema puesto que compiten con éstas por el nitrito,

3. la baja eficiencia del mismo en cuanto a eliminación del residuo pues es complicado mantener altas tasas de eliminación de forma sostenida en el tiempo,

4. la necesidad de instalar dispositivos como por ejemplo hidrociclones para la selección, separación y purga de fangos (WO2011110905 (A1) ) .

Esta invención contempla un método de puesta en marcha y control de un proceso para eliminar el nitrógeno en un reactor denominado de Eliminación Autótrofa de Nitrógeno en el que se van a desarrollar biopelículas en las que los procesos se dan todos de forma simultánea. En el reactor, los procesos de nitrificación y desnitrificación tanto autótrofa como heterótrofa se dan de forma simultánea en el interior de la biopelícula (Figura 1) . Controlando el aporte de una corriente de aire que contiene oxígeno al reactor, el tiempo de residencia hidráulico en la unidad biológica y la alcalinidad a la entrada del reactor es posible arrancar el sistema en pocos días y mantener la operación de forma estable a lo largo del tiempo con tasas de eliminación de nitrógeno por encima de 0, 6 kg N/ (m3 d) .

Descripción general de la invención La presente invención se refiere a un método de puesta en marcha y control de un proceso biológico para eliminar el nitrógeno contenido en aguas residuales mediante una etapa combinada de nitrificación y oxidación anaerobia del ión amonio (Anammox) , en la que tiene lugar simultáneamente una reacción aerobia de nitrificación parcial del amonio contenido en el agua residual a nitrito con bacterias oxidantes y adición de oxígeno, y una reacción anóxica de producción de nitrógeno con bacterias autótrofas desnitrificantes del amonio y del nitrito, del filo Planctomycetes, estando ambas poblaciones bacterianas dispuestas en forma de biopelícula en un mismo reactor de tal forma que las bacterias oxidantes se encuentran en el exterior de la biopelícula en contacto con una zona aerobia dentro del reactor y las bacterias autótrofas en el interior de la biopelícula creando una zona anóxica, caracterizado...

1. Un método de puesta en marcha y control de un proceso biológico para eliminar el nitrógeno contenido en aguas residuales mediante una etapa combinada de nitrificación y oxidación anaerobia del ión amonio, en la que tiene lugar simultáneamente una reacción aerobia de nitrificación parcial del amonio contenido en el agua residual a nitrito con bacterias oxidantes y adición de oxígeno, y una reacción anóxica de producción de nitrógeno con bacterias autótrofas desnitrificantes del amonio y del nitrito, del filo Planctomycetes, estando ambas poblaciones bacterianas dispuestas en forma de biopelícula en un mismo reactor de tal forma que las bacterias oxidantes se encuentran en el exterior de la biopelícula en contacto con una zona aerobia dentro del reactor, y las bacterias autótrofas en el interior de la biopelícula creando una zona anóxica, caracterizado por que:

- en la puesta en marcha y operación del proceso, el reactor que contiene la biopelícula de bacterias se alimenta con un flujo de las aguas residuales para a continuación inyectar una corriente de gas que contiene oxígeno al interior del mismo de forma continua hasta su parada, manteniendo la dosis de oxígeno disuelto en el reactor a un nivel mayor de 0, 6 mg/l, y

-durante la operación del proceso se controla el aporte de la corriente de gas que contiene oxígeno al reactor, el tiempo de residencia hidráulico y la alcalinidad en la alimentación, de tal forma que el ratio (Alcalinidadentrada-Alcalinidadsalida) / (Conductividad entrada-Conductividadsalida) se mantiene por debajo de 13 mM/ (mS/cm25ºC) y la alcalinidad a la salida del reactor se mantiene entre el 5% y el 25% de la alcalinidad a la entrada.

2. El método según la reivindicación 1, donde la corriente de gas que contiene el oxígeno es una corriente de aire o una corriente exclusivamente de oxígeno.

3. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde cuando el parámetro (AlcalinidadentradaAlcalinidadsalida) / (Conductividad entrada-Conductividadsalida) excede 13 mM/ (mS/cm25ºC) y se sitúa entre 13 y 15 se modifica el aporte de aire/oxígeno al reactor y el tiempo de residencia hidráulico de tal forma que se aumenta la velocidad de reacción de las bacterias oxidantes de amonio y se disminuye la velocidad de reacción de las bacterias oxidantes de nitrito.

4. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde cuando el parámetro (Alcalinidadentrada-Alcalinidadsalida) / (Conductividadentrada-Conductividadsalida) supera el valor de 15 mM/ (mS/cm25ºC) , se añade una fuente de alcalinidad externa en la alimentación al reactor para incrementar el ratio alcalinidad/NH4+ en dicho reactor.

5. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las bacterias están dispuestas en la biopelícula en forma de gránulos.

6. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la biopelícula crece sobre un soporte dispuesto en el interior del reactor.

7. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el caudal de la corriente de gas que contiene oxígeno que se inyecta al interior del reactor está comprendido entre 20 y 100 m3 aire/kg N alimentado.

8. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la concentración de oxígeno disuelto que se mantiene en el interior del reactor durante el proceso está comprendido entre 0, 6-4, 0 mg/l.

9. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la estequiometría global es la siguiente:

NH4+ + 0, 80 O2 + 1, 11 HCO3 - 0, 009 C5H7O2N + 0, 028 CH2O0, 15N + 0, 44 N2 + 0, 11 NO3 + 2, 50 H2O + 1, 04 CO2

10. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la temperatura en el interior del reactor está comprendida entre 5ºC y 40ºC, incluidos ambos límites.

11. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el reactor es un reactor granular de tipo discontinuo.

12. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde tras la parada del reactor se procede al decantado y vaciado del mismo.

13. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se comienza la inyección de la corriente de gas que contiene oxígeno al interior del reactor tras la alimentación del reactor con el flujo de aguas residuales.

14. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, donde la alimentación del flujo de aguas

residuales continúa durante toda la acción de inyección de la corriente de gas que contiene oxígeno al interior del reactor.

15. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la etapa de alimentación del flujo de las aguas residuales ocupa desde un 1% hasta un 75% del ciclo de operación del reactor.

16. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el aporte de la corriente de gas que contiene oxígeno se hace de forma continuada durante un periodo que ocupa el 75% del ciclo de operación.

17. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el flujo de las aguas residuales se lamina, y se decantan y retiran los sólidos presentes en dicho flujo mediante un tanque de homogeneización, antes de entrar al reactor.

18. El método según la reivindicación anterior, donde en el reactor se controlan los siguientes parámetros mediante sondas, equipos de medición y caudalímetros: concentración de oxígeno disuelto, alcalinidad, conductividad, caudal de agua residual, nivel, temperatura y caudal de aire/oxígeno aportado.

19. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde al principio del proceso se elimina de forma heterótrofa parte del nitrato producido por las bacterias annamox al llevar a cabo una alimentación en condiciones anóxicas, mediante la materia orgánica biodegradable disponible en el flujo de aguas residuales.

20. El método según la reivindicación anterior, donde la medición de los parámetros es registrada mediante un sistema de control automatizado, que actúa sobre el tiempo de residencia hidráulico, el aporte de aire/oxígeno al reactor y la alcalinidad a la entrada del reactor.

21. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el flujo de aguas residuales es una corriente proveniente de un digestor anaerobio.

22. El método según la reivindicación anterior, donde el flujo de aguas residuales corresponde a una corriente de escurrido de fangos de la línea de retorno de una planta de depuración EDAR.

23. El método según la reivindicación 21, donde el flujo de aguas residuales corresponde al efluente de un digestor anaerobio aplicado a aguas industriales del sector conservero.