Los progresos recientes más importantes

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1 78 Innovaciones tecnológicas en eliminación de nutrientes Por: Juan Antonio Cortacáns Torre Dr. Ingeniero de Caminos INFILCO ESPAÑOLA, S.A. Av. de Burgos, MADRID Tel Fax: Introducción Los progresos recientes más importantes y los futuros desarrollos previstos en eliminación de nutrientes se basan, fundamentalmente, en procesos biológicos por lo que los procesos químicos, en general, pueden considerarse como de conocimiento general y no están en una situación de evolución importante. Los procesos de nitrificación se diseñan, fundamentalmente, en base a lograr una edad del fango adecuada en la zona aeróbia en función de la temperatura del agua residual. La desnitrificación requiere una zona anóxica con ausencia de oxígeno disuelto y con presencia de los nitratos que se pretende desnitrificar y con una oferta suficiente de materia orgánica, ya que la desnitrificación requiere una relación adecuada DQO/N-NO 3 o DBO 5 /N-NO 3 en la zona anóxica. La eliminación biológica de fósforo requiere una alternativa espacial o temporal de zonas "anaerobias" sin oxígeno, ni nitratos (donde tiene lugar la redisolución de P) y "aerobias" (donde tiene lugar la toma de P) de forma consecutiva consiguiendo con ello un enriquecimiento del contenido de P en las bacterias. La retirada de fangos en exceso tiene lugar después de la fase aerobia, donde se produce la toma incrementada de fósforo. Este proceso requiere fundamentalmente una buena oferta de materia orgánica en la zona anaerobia. Los desarrollos e innovaciones tecnológicas recientes en estos procesos tienen una serie de objetivos fundamentales que pueden clasificarse como sigue: 1. Biotecnología: Investigaciones que tienen como objeto el mejor conocimiento de los microorganismos que intervienen en los procesos para optimizar técnica y económicamente dichos procesos. 2. Modelización matemática: Dada la complejidad de estos procesos en el futuro se incidirá, cada vez más, en modelos matemáticos y en su accesibilidad a los profesionales. 3. Mejoras técnicas o económicas de los procesos con diversos fines: A título ilustrativo pero no exhaustivo pueden citarse la adición de soportes fijos para la biomasa, la fermentación del fango primario, la operación en climas fríos con edades del fango reducidas, los procesos con alimentación escalonada y la utilización de membranas para la separación de fases en fangos activos. 2. Biotecnología Hay en la actualidad una serie de investigaciones encaminadas a aumentar la actividad o la supervivencia de los microorganismos en diversos procesos. En lo que se refiere a bacterias nitrificantes se puede citar como ejemplo la presentación en las jornadas de DECHEMA (Wiesbaden Mayo 1998) de un trabajo de la Universidad de Brannschweig (V. Bohlman et al [1]) cuyo objeto es la obtención de materiales de soporte adecuados (a base de sílice) para conseguir una fijación de Nitrobacter de forma incrementada. En la investigación citada los microorganismos muestran además mayor actividad que con otros materiales soporte como cristal o celulosa. Esta mayor actividad se atribuye a una mejor difusión del oxígeno en el material soporte. 3. Eliminación de nitrógeno en aguas residuales con baja relacion C/N: desamonificación aerobia Las eliminaciones de nitrógeno en aguas residuales con baja relación C/N, por ejemplo aguas residuales industriales después de un pretratamiento anaerobio, aguas del circuito de fangos de plantas urbanas o lixiviados requieren, con un proceso convencional, la dosificación de una fuente externa de carbono y un suministro adecuado de oxígeno. Los datos de funcionamiento de la planta de lixiviados de Mechemich [2] y posteriores investigaciones microbiológicas indican que pueden nombrarse tres procesos que intervienen en la eliminación de ni-

2 Etapa de Fangos Activos Etapa de Biodiscos Agua Bruta (lixiviados) Desnitrificación Aeración Microtamiz Nitrificación Microtamiz Agua de Limpieza Recirculación de Fangos Fangos en Exceso Recirculación Fig. 1. Esquema de la planta de pretratamiento biológico. trógeno en la etapa de pretratamiento biológico [Fig 1]: 1. Una nitrificación autótrofa en los biodiscos y complementariamente una respiración nitratos nitritos heterótrofa convencional en la desnitrificación previa. 2. Una desnitrificación heterótrofa aerobia en la instalación de biodiscos, pudiéndose identificar en la investigación una bacteria designada TL 1 que en condiciones aerobias puede desnitrificar con consumo de carbono orgánico. 3. Una desnitrificación autótrofa en la instalación de biodiscos, que aparentemente es la que produce la mayor eliminación de nitrógeno. Los datos muestran que se trata, en esencia, de transformaciones propiciadas por bacterias autótrofas, ya que la oferta de carbono en los biodiscos era insuficiente para una desnitrificación convencional. En un cultivo enriquecido se dosificaron nitritos y amonio de forma equimolar, y con concentraciones de oxígeno próximas a cero, se encontró un consumo de nitritos y amonio de acuerdo con la ecuación: NH 4+ + NO 2 N 2 + 2H 2 O [3] y la consiguiente formación de nitrógeno gas. En el caso de la instalación de lixiviados de Mechemich se produce una desamonificación en condiciones aerobias (con poca concentración de oxígeno). Las investigaciones en la propia planta indican un enriquecimiento de nitrificantes autótrofas en las zonas de biofilm que muestran las mayores pérdidas de nitrógeno. Si estos resultados se confirman en otras investigaciones y se consigue controlar o confirmar el enriquecimiento de los microorganismos adecuados, de forma fiable, podría desarrollarse un proceso para aguas con mala relación C/N que ahorraría oxígeno y dosificación de carbono externo de forma importante. 4. Modelos dinámicos de cálculo Los procesos de eliminación biológica conjunta de nutrientes son más complejos que los de nitrificación-desnitrificación. Esa complejidad hace aconsejable el estudiar la posibilidad de modelizar el proceso. Hay diversos modelos, algunos simplificados y otros parciales, referidos a la eliminación biológica de fósforo únicamente. El modelo más completo de los de difusión general es el número 2 de la IAWQ que integra 19 componentes y 19 procesos, es decir que es de una complejidad enorme comparado con el nº 1 de la IAWQ referido sólo a nitrificación-desnitrificación. A pesar de su complejidad, el modelo Nº 2 tiene algunas deficiencias importantes: No contempla actividad de los microorganismos acumuladores de fósforo en las zonas anóxicas y no considera la precipitación inducida biológicamente (sin adición de reactivos). Hay diversas publicaciones con retoques o modificaciones del modelo nº 2 para hacerlo más realista. En lo que respecta a las deficiencias antes indicadas puede citarse la publicación de M. Maurer y W. Gujer [4] que añade al modelo nº 2 dos procesos para el crecimiento anóxico de los organismos acumulador de fósforo (PAO) y la acumulación anóxica de polifosfatos, considerando dichos procesos energéticamente más desfavorables que cuando se desarrollan en la zona aeróbica con oxígeno como aceptor de electrones. 79

3 Fig. 2. Diagrama de flujo para eliminación de nitrógeno con un proceso de biomasa fija sobre lecho móvil. 80 Además se incluyen tres procesos que describen la precipitación inducida de fósforo. Es de esperar que, además de estos desarrollos para completar el modelo, en los próximos años su uso se extienda poco a poco y se vaya conociendo, en la práctica, su utilidad y potencialidad. 5.- Proceso de biomasa fija sobre lecho móvil El sistema KMT es un sistema de biomasa fija sobre lecho móvil con funcionamiento en continuo, no atascable, con baja pérdida de carga y alta superficie específica [Fig. 2]. Debido a sus características no necesita lavado ni recirculación de fangos, desde el decantador secundario, debido a la fijación de la biomasa sobre el material soporte. Dicha fijación permite además una especialización de la biomasa de cada compartimento. Este sistema permite una alta eliminación de nitrógeno incluso a bajas temperaturas y requiere menos volumen de reactor que las plantas convencionales, con lo que es posible rehabilitar plantas de fangos activos convencionales, para adecuarlas a la eliminación de nitrógeno, así como construir plantas cubiertas sin un excesivo sobrecosto. El sistema KMT requiere menos volumen de reactor que las plantas convencionales 6. Fermentación del fango primario Tanto la desnitrificación como la eliminación biológica de fósforo dependen de la presencia de fuentes de carbono fácilmente biodegradables. La forma más habitual que se ha ido imponiendo en los últimos años de incrementar la disponibilidad de este tipo de sustratos, sin recurrir al uso de fuentes externas, es la fermentación de los fangos pri-

4 Fig. 3. Optimización de la eliminación biológica de N y P (1). marios. Hay numerosas publicaciones sobre la producción de DQO suplementaria, según el tiempo de retención y la temperatura del fermentador. Según experiencias propias, referidas a la fermentación de fangos primarios para mejorar la redisolución de fósforo (y posterior toma) en el reactor anaeróbico, un tiempo de retención de tres días es suficiente si se calienta al fango primario a unos 30 ºC para no llegar a la metanización. Con ello se llega a esquemas como los de las Figuras [3] y [4]. Es curioso observar que uno de los "secretos" del buen rendimiento de plantas de eliminación biológica de nitrógeno y fósforo, en sitios fríos como Canadá, es el uso casi sistemático de la fermentación de fangos primarios para ayudar a la eliminación biológica del fósforo. Ver por ejemplo la publicación "Biological nutrient removal in Western Canada: an update" de Barry Rabinowitz y A.W. Wilson [4] sobre plantas en British Columbia y Alberta (Canadá). 7. Procesos de nitrificación con edad del fango reducida Como los procesos convencionales para nitrificación depende, de una forma importante, de la temperatura, en casos de baja temperatura del agua se llega a edades del fango altas y por consiguiente a volúmenes muy importantes del reactor biológico. Una solución ingeniosa para reducir el volumen del reactor, en plantas con digestión anaerobia calentada, es la presentada por P.Kos [6]. Como puede verse en la Figura 5, requiere la adición al esquema convencional de la planta de un pequeño tanque de aeración y un decantador para promover el crecimiento de nitrificantes. El líquido procedente del tratamiento de fangos, que está a una temperatura de unos 30 ºC y que contiene un alto contenido de nitrógeno Fig. 4. Optimizacion de la eliminación biológica de N y P (2). 81

5 amoniacal (300 a 900 mg/l), se mezcla con una pequeña parte del efluente primario (para ajustar la temperatura y proporcionar DBO) y se nitrifica en un reactor separado. Una parte del fango biológico resultante, que contiene un porcentaje alto de nitrificantes, se descarga periódicamente en el tanque de aeración principal proporcionando un suplemento de nitrificantes. Se afirma que procediendo de esta manera se puede reducir, de forma importante, la edad del fango necesaria en la época más fría y que el volumen del reactor biológico suplementario, en cambio, no llega ni al 5% del volumen del reactor principal. 8. Desnitrificación en cascada La desnitrificación en cascada (o proceso ALPHA) es una mezcla de desnitrificación preconectada y alimentación escalonada Fig. 6. La ventaja de este sistema es que no se requiere una recirculación de nitratos global importante y, sin embargo, puede conseguirse una salida de nitrógeno total muy reducida. Con un diseño adecuado puede utilizarse alguna de las cámaras de desnitrificación para nitrificación (en invierno). La flexibilidad es, pues, mucho mayor, se circula menos oxígeno a las cámaras anóxicas y se consigue mayor velocidad de desnitrificación, ya que la relación DBO5/Nox es mayor. Además la cantidad de sólidos en el sistema es mucho mayor que en otros procesos (a igualdad de volumen de reactor). El problema de este proceso es su cálculo que requiere el desarrollo de un modelo matemático. Actualmente en España se están elaborando modelos matemáticos para el cálculo de este proceso, así como para combinarlo con la eliminación biológica de fósforo [7]. 9. Utilización de membranas en fangos activos para separación de fases Hay diversas formas de reducir el volumen (y por tanto el costo) de los 82 Fig. 5. Diagrama esquemático del proceso de nitrificación con edad del fango reducida.

6 Fig. 6. Desnitrificación en cascada. reactores de fangos activos. Además de los recursos citados en anteriores apartados: Procesos con fijación de biomasa, procesos con edad del fango reducida y sistemas con alimentación escalonada hay otras posibilidades en desarrollo [8]. Pueden citarse el uso de membranas y la incorporación de sistemas de flotación. Las membranas para la separación de las fases sólida y líquida no se han usado, hasta ahora, en plantas reales sino en plantas de escala semi-industrial. Se afirma que se puede llegar con este sistema a concentraciones de MLSS en el reactor de mg/l Fig [7]. Los condicionantes son la introducción de oxígeno en cantidades suficientes para el desarrollo del proceso y la efectividad y economía de la separación por medio de las membranas. Si este sistema en el futuro llega a resolver estos problemas de forma fehaciente, se llegaría a un sistema competitivo en términos de ocupación de espacio con los biofiltros con aeración. Bibliografía 1. Fortschritte für die abwasserbehandlung. Dechema. Jahrestagungen. Walter Gebhardt. Korrespondenz abwasser 1998 nr Nue 2möglichkeiten der stickstoffelimination bei abwässern mit niedrigen c/n. Verhältnis: aerobe de ammonifikation. Anke Hippen et al. Korrespondenz abwasser Nr Nitrogen loss caused by denitrifying Nitrosomonas cells using ammonium or hydrogen as electron donors and nitrite as electron acceptors. Bock, E Schmidt, I. Stüven, R. Zart. Arch Microbiol. 163 (1995) 4. Dynamic modelling of enhanced biological phosphorus and nitrogen removal in activated sludge systems. M. Maurer and W Gujer. Wat. Sci. Tech. Vol 38. Nº IAWQ. 5. Biological nutrient removal in western Canada: an update. Barry Rabinowitz and A. Warren Wilson. Water Quality International. Nov/Dec Short SRT Nitrification Process/Flowsheet. Peter Kos. Wat. Sci. Tech Vol 38. Nº IAWQ. 7. Modelizacion del Proceso ALP- HA. Investigación conjunta CEIT - INFILCO ESPAÑOLA. Pendiente de publicación. 8. The development of Nutrient - Removal Processes. DL Barnard y CIWEM 1998 October. Fig. 7. Posible esquema de planta biológica de eliminación de nutrientes con membranas. 83