TEMA 8. ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES

Transcripción

1 Francisco Javier Bayo Bernal Calidad de Aguas Grado en Ingeniería Civil Universidad Politécnica de Cartagena TEMA 8. ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES 1. Introducción 2. Eliminación de nitrógeno 3. Sistemas nitrificacióndesnitrificación 4. Eliminación de fósforo 1

2 Introducción 1. Introducción LEY DEL MÍNIMO DE LIEBIG (1840) Crecimiento limitado por el nutriente menos disponible NITRÓGENO Y FÓSFORO N y P Nutrientes indispensables para crecimiento de plantas y algas acuáticas ELIMINACIÓN Tratamientos físicoquímicos o biológicos (más habituales) NITRÓGENO FÓSFORO Procesos de nitrificacióndesnitrificación Organismos acumuladores de fósforo (PAOs) NO 3 (en agua residual) Bajo Aceptor de electrones en ausencia de O 2 2

3 Nitrificación 2. Eliminación de nitrógeno NITRIFICACIÓN BIOLÓGICA En el propio reactor o en uno independiente: Nitrosomas (NH 4+ NO 2 ) y Nitrobacter (NO 2 NO 3 ) NH /2O 2 NO 2 + 2H + + H 2 O NO 2 + 1/2O 2 NO 3 AOB NOB NH O 2 NO 3 + 2H + + H 2 O QUIMIOAUTÓTROFOS Crecimiento más lento que bacterias heterótrofas TRH para nitrificación 1 g N 4,57 g O Realmente hace falta menos [reacción entre NH 4+ y alcalinidad del agua (HCO 3 )] NH HCO 3 + 2O 2 NO 3 + 2CO 2 + 3H 2 O 1 g N 7,14 g de CaCO 3 (alcalinidad) 3

4 Nitrificación 2. Eliminación de nitrógeno Balance final (asimilación + obtención de energía) NH ,863O 2 + 0,098CO 2 0,0196C 5 H 7 NO 2 + 0,98NO 3 + 0,0941H 2 O + 1,98H + 1 g N 4,26 g O 7,07 g alcalinidad 0,16 g C 5 H 7 NO 2 ph IMAGEN TOMADA DE: Sattayatewa et al. (2009). Organic nitrogen transformations in a 4stage Bardenpho nitrogen removal plant and bioavailability/biodegradability of effluent DON. Water Research 43: IMAGEN TOMADA DE: Liu et al. (2010). Study of operational conditions of simultaneous nitrification and denitrification in a Carrousel oxidation ditch for domestic wastewater treatment. Bioresource Technology 101:

5 Desnitrificación 2. Eliminación de nitrógeno NTK RN + NH 4 + NITRIFICACIÓNDESNITRIFICACIÓN Descomposición bacteriana e hidrólisis O 2 O 2 RN NH 4+ NO 2 NO 3 Asimilación Desasimilación N 2 O(g) N 2 (g) C 10 H 19 O 3 N (Carbono orgánico del agua residual como donador de electrones) [O 2 ] < 0,2 mg/l C 5 H 7 NO 2 QUIMIOHETERÓTROFOS Achromobacter, Lactobacillus, Micrococcus, Pseudomonas NO 3 NO 2 NO N 2 O N 2 V III II I 0 DESNITRIFICACIÓN BIOLÓGICA 6NO 3 + 5CH 3 OH 3N 2 + 5CO 2 + 7H 2 O + 6OH NO 3 + 0,345C 10 H 19 O 3 N + H + + 0,267HCO 3 + 0,267NH 4 + 0,612C 5 H 7 O 2 N + 0,5N 2 + 0,655CO 2 + 2,3H 2 O 5

6 Atajo 2. Eliminación de nitrógeno Inversión PROBLEMAS CON ELIMINACIÓN CLÁSICA Inestabilidad Explotación Inhibición de la actividad y crecimiento de NOB NNO 2 / NNO 3 T OD ph t aire NH 4+ NO 2 NO 2 N 2 SHORTCUT NITRIFICATIONDENITRIFICATION carbono orgánico y alcalinidad tiempo fangos IMAGEN TOMADA DE: Gao et al. (2009). Shortcut nitrification denitrification by realtime control strategies. Bioresource Technology 100:

7 Clasificación 3. Sistemas nitrificacióndesnitrificación Proceso Bardenpho SISTEMAS DE FANGO ÚNICO Canales de oxidación SISTEMAS DE FANGOS SEPARADOS IMAGEN TOMADA DE: 02/02/2012 IMAGEN TOMADA DE: 02/02/2012 IMAGEN TOMADA DE: m/biologicalwastewatertreatment/mbbr/nitrification.a spx. 02/02/2012 Cultivos en suspensión 7

8 Bardenpho 3. Sistemas nitrificacióndesnitrificación PROCESO BARDENPHO EN CUATRO ETAPAS NH 4 + NO 3 C 10 H 19 O 3 N Oxidación de C + Nitrificación + Desnitrificación NO 2 DESNIT AN1 25% OXNIT AE1 50% DESNIT AN2 20% AERO AE2 5% DEC SEC Segunda desnitrificación (respiración endógena) Rápida nitrificación debido a la alta carga orgánica inicial Eliminación de N 2 por stripping 8

9 Canales oxidación 3. Sistemas nitrificacióndesnitrificación CANALES DE OXIDACIÓN NO 3 NH + 4 C 10 H 19 O 3 N NO 2 Rendimiento inferior al Proceso Bardenpho Sólo cuenta con una zona anóxica AE DS AN AIREACIÓN IMÁGENES TOMADAS DE: 08/02/2012 9

10 Cultivos suspensión 3. Sistemas nitrificacióndesnitrificación SISTEMAS DE FANGOS SEPARADOS NH + 4 NO 3 C 10 H 19 O 3 N NO 2 AIREACIÓN CH 3 OH DEC PRI NITRIF DEC NIT DESNITRIF DEC SEC Parecidos al sistema de fangos activados Aireación de canales para evitar adhesión de N 2 (g) a sólidos 10

11 Química 4. Eliminación de fósforo Elemento de control esencial en efluente de WWTP Factor limitante del crecimiento y causa de problemas de eutrofización 20% fósforo total Eliminado en decantación primaria QUÍMICA DEL FÓSFORO H 5 P 3 O 10 + H 2 O H 3 PO 4 + H 4 P 2 O 7 H 4 P 2 O 7 + H 2 O 2H 3 PO 4 0,45 µm FÓSFORO PARTICULADO Velocidad limitante FÓSFORO SOLUBLE FÓSFORO SOLUBLE REACTIVO (PO 4 ) FÓSFORO SOLUBLE NO REACTIVO IMAGEN TOMADA DE: Halliwell et al. (2001). Hydrolysis of triphosphate from detergents in a rural waste water system. Water Research 35:

12 PAOs Acinetobacter Tetrasphera Rhodocyclus 4. Eliminación de fósforo ORGANISMOS ACUMULADORES DE FOSFATOS Condiciones aerobias Condiciones anaerobias PROCESO BARDENPHO EN CINCO ETAPAS AN1 ANOX1 AE1 ANOX2 8 mg/l AE2 1 2 mg/l DEC SEC Eliminación mediante métodos QUÍMICOS (Fe, Al, cal) métodos FÍSICOS (filtración) FeCl 3 + H 2 PO 4 + 2HCO 3 FePO Cl + 2CO 2 + 2H 2 O IMAGEN TOMADA DE: Yuan et al. (2007). Simultaneous denitrifying phosphorus accumulation in a sequencing batch reactor. Frontiers of Environmental Science & Engineering in China 1:

13 Bacterias nitrificantes Nitrifying bacteria SOME ENGLISH TERMS TO BE FAMILIAR WITH Bacterias oxidantes de nitritos Nitrite oxidizing bacteria (NOB) Canal de oxidación Racetrack oxidation ditch; Carrousel oxidation ditch Decantador primario (secundario) Primary (secondary) clarifier Desnitrificación Denitrification Eliminación biológica de nutrientes Biological nutrient removal Ley del mínimo de Liebig Liebig s law of the minimum Nitrificación Nitrification Nitrógeno orgánico disuelto Dissolved organic nitrogen (DON) Organismo acumulador de fosfato Phosphateaccumulating organism (PAO) Potencial de oxidaciónreducción Oxidationreduction potential (ORP) Sistemas de fangos separados Twosludge systems 13

14 WASTEWATER MICROBIOLOGY NITROGEN REMOVAL BASICS AWARDWINNING BNR WWTP PHOSPHORUS AND ITS IMPACT DEAMMONIFICATION IMAGEN TOMADA DE: 14

15 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Gao, D., Peng, Y., Li, B., Liang, H. (2009). Shortcut nitrification denitrification by realtime control strategies. Bioresource Technology 100: Halliwell, D.J., McKelvie, I.D., Hart, B.T., Dunhill, R.H. (2001). Hydrolysis of triphosphate from detergents in a rural waste water system. Water Research 35: Lin, S. (2001). Water and Wastewater Calculations Manual. McGrawHill: New York. Liu, Y., Shi, H., Xia, L., Shi, H., Shen, T., Wang, Z., Wang, G., Wang Y. (2010). Study of operational conditions of simultaneous nitrification and denitrification in a Carrousel oxidation ditch for domestic wastewater treatment. Bioresource Technology 101: Masters, G.M. (1991). Introduction to Environmental Engineering and Science. PrenticeHall: New Jersey. Rivett, M.O., Buss, S.R., Morgan, P., Smith, J.W.N., Bemment, C.D. (2008). Nitrate attenuation in groundwater: A review of biogeochemical controlling processes. Water Research 42:

16 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Sattayatewa, C., Pagilla, K., Pitt, P., Selock, K., Bruton, T. (2009). Organic nitrogen transformations in a 4stage Bardenpho nitrogen removal plant and bioavailability/biodegradability of effluent DON. Water Research 43: Sidat, M., Bux, F., Kasan, H.C. (1999). Polyphosphate accumulation by bacteria isolated from activated sludge. Water SA 25: Tchobanoglous, G., Burton, F.L., Stensel, H.D. (2003). Wastewater Engineering. Treatment and Reuse. McGrawHill: New York. Yuan, L., Han, W., Wang, L., Yang, Y., Wang, Z. (2007). Simultaneous denitrifying phosphorus accumulation in a sequencing batch reactor. Frontiers of Environmental Science & Engineering in China 1: