PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS Nombre: Dr. Julián Carrera Muyo Institución: Universitat Autònoma de Barcelona (España)
QUÉ ES UN PROCESO AEROBIO? PROCESO BIOLÓGICO
QUÉ ES UN PROCESO AEROBIO? PROCESO BIOLÓGICO Se producen de forma natural en ríos, estuarios, mares, etc. En tratamiento de aguas residuales, intensificamos el proceso en reactores aerobios.
QUÉ ES UN PROCESO AEROBIO?
QUÉ ES UN PROCESO AEROBIO? PROCESO BIOLÓGICO Es esencial el rendimiento (Y), ya que marca: 1) La cantidad de nueva biomasa formada (residuo) 2) La cantidad de oxígeno requerido
QUÉ ES UN PROCESO AEROBIO? PROCESO BIOLÓGICO Cuántos kilogramos de oxígeno se requieren para oxidar un kilogramo de DQO? Cómo se aporta el oxígeno a los reactores aerobios?
POR QUÉ Y CUANDO SE UTILIZAN? PROCESO BIOLÓGICO Los procesos biológicos son más económicos que los procesos físico-químicos. Los procesos biológicos pueden ser aerobios y anaerobios. Los procesos biológicos aerobios consumen más energía que los anaerobios pero también consiguen mayores eficacias de eliminación y pueden eliminar materia orgánica y nutrientes.
QUÉ SE ELIMINA? PROCESO BIOLÓGICO Se elimina, esencialmente, materia orgánica que suele medirse en forma de Demanda Química de Oxígeno (DQO). También se suele utilizar la Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) pero es un análisis con muchos problemas. Además, se pueden eliminar nutrientes, básicamente, nitrógeno y fósforo.
QUÉ SE ELIMINA? La DQO se puede clasificar en diferentes categorías: Tipos de DQO DQO total DQO particulada DQO coloidal DQO soluble DQO biodegradable DQO no biodegradable DQO fácilmente biodegradable DQO difícilmente biodegradable Significado Toda la materia orgánica (MO) La MO en forma sólida La MO en forma coloidal La MO disuelta en el agua La MO que puede eliminarse en el proceso biológico La MO que no puede eliminarse en el proceso biológico La MO biodegradable de forma rápida La MO biodegradable de forma lenta
LODOS ACTIVOS Hace 100 años, Ardern y Lockett descubrieron los lodos activos y, con ello, como depurar las aguas residuales
LODOS ACTIVOS La estructura esencial de los lodos activos son los flóculos de bacterias pero también hay protozoos que se alimentan de bacterias y juegan un papel esencial
LODOS ACTIVOS El esquema básico es un reactor aerobio y un sedimentador
LODOS ACTIVOS En el reactor aerobio ocurre el proceso biológico y en el sedimentador se separa la biomasa del agua depurada. En un sistema de lodos activos son fundamentales varios parámetros operacionales: tiempo de residencia hidráulico, tiempo de residencia celular, relación de recirculación, concentración de oxígeno disuelto, carga orgánica, etc.
LODOS ACTIVOS El tiempo de residencia hidráulico (TRH) y la carga orgánica se calculan según:
LODOS ACTIVOS El tiempo de residencia celular (TRH) se calcula según:
LODOS ACTIVOS Los lodos activos siempre se diseñan juntos con otras operaciones asociadas: pre-tratamiento, desinfección, etc. El sedimentador puede substituirse por una membrana.
LODOS ACTIVOS Los lodos activos también pueden diseñarse para eliminar nitrógeno además de materia orgánica.
LODOS ACTIVOS
GRÁNULOS AEROBIOS GRÁNULOS AEROBIOS Qué es la biomasa granular aerobia? Para qué sirve? Cuáles son sus ventajas? Por qué es una tecnología de futuro?
GRÁNULOS AEROBIOS Qué es la biomasa granular aerobia? 2 mm Son agregados de origen microbiano, que sedimentan mucho más rápido que los lodos activos y que se forman bajo condiciones de estrés hidrodinámico
GRÁNULOS AEROBIOS La formación de gránulos aerobios se realiza, casi siempre, en reactores discontinuos secuenciados (SBR) y utilizando una o varias de estas técnicas: a) Régimen FEAST-FAMINE b) Bajo tiempo de sedimentación c) Altas fuerzas de estrés hidrodinámico conseguidas con la velocidad ascensional del aire
GRÁNULOS AEROBIOS Biomasa floculenta Biomasa granular Agregado microbiano poco denso Agregado microbiano compacto y denso Adecuada capacidad sedimentación Excelente capacidad sedimentación ɸ: < 0.2 mm IVL: 100-200 ml g -1 V S : 8-10 m h -1 ɸ: > 0.2 mm IVL: < 50 ml g -1 V S : 50-100 m h -1
GRÁNULOS AEROBIOS Para qué sirve? Cuáles son sus ventajas? Diversos sectores industriales producen efluentes que contienen nitrógeno amoniacal y compuestos fenólicos. Los tratamientos físico-químicos actuales son caros y no completamente efectivos.
GRÁNULOS AEROBIOS Los actuales sistemas de depuración biológicos basados en lodos activos no pueden hacer frente, en numerosas ocasiones, a estos efluentes industriales. Uno de los principales problemas es la inhibición de la nitrificación.
GRÁNULOS AEROBIOS NITRIFICACIÓN DESNITRIFICACIÓN NH 4 + AOB NO 2 - NOB NO - 3 NO - 2 N 2 Cómo se puede realizar la eliminación biológica de nitrógeno? ELEVADO REQUERIMIENTO OXIGENO ELEVADO REQUERIMIENTO DE MATERIA ORGÁNICA Y ALTA GENERACIÓN LODOS
GRÁNULOS AEROBIOS NITRIFICACIÓN PARCIAL Limitar la actividad de la población nitrito-oxidante DESNITRIFICACIÓN HETEROTRÓFICA VIA NITRITO NH 4 + AOB NO 2 - NOB Evitar la formación NO - 3 de nitrato NO 2 - N 2 Existen otras alternativas? AHORRO DE HASTA UN 25% EN LA CANTIDAD DE OXÍGENO REQUERIDO AHORRO DE ENTRE UN 30-40% EN EL REQUERIMIENTO DE MATERIA ORGÁNICA Y EN LA PRODUCCIÓN DE LODOS
GRÁNULOS AEROBIOS NITRITACIÓN PARCIAL (sólo se oxida el 50% de todo el amonio) NH 4 + NO 2 - NH 4 + Existen otras alternativas? AHORRO DE > 50% EN LA CANTIDAD DE OXÍGENO REQUERIDO DESNITRIFICACIÓN AUTÓTROFA (PROCESO ANAMMOX) ANAMMOX NO SE REQUIERE MATERIA ORGÁNICA Y LA PRODUCCIÓN DE LODOS ES MÍNIMA N 2 NO 3 -
GRÁNULOS AEROBIOS Qué son las bacterias Anammox? Bacterias autotróficas y estrictamente anaerobias Obtienen la energía del consumo de nitrito y amonio en una relación estequiométrica de 1.3:1 Crecimiento lento Tendencia a agruparse en forma granular
GRÁNULOS AEROBIOS Por qué los gránulos aerobios son una tecnología de futuro? [fenoles] [amonio] [nitrito] [amonio] [fenoles] [nitrato] [amonio] [nitrito] Un sistema de dos etapas con biomasa granular: nitritación parcial con eliminación de fenoles + anammox
GRÁNULOS AEROBIOS [N-NH 4+ ] = 1 g L -1 Cuál es la estrategia para alcanzar un reactor granular aerobio con varias capacidades? [N-NH 4+ ] = 0.5 g L -1 [N-NO 2- ] = 0.5 g L -1 Partimos de un reactor granular nitrificante que produce un efluente con una relación 1:1 de nitrito/amonio (anammox)
GRÁNULOS AEROBIOS Bioaumentamos el reactor con bacterias degradadoras de fenoles [N-NH 4+ ] = 1 g L -1 [N-NO 2- ] = 0.5 g L -1 Esperamos [N-NH 4+ ] = 0.5 g L -1 conseguir unos gránulos aerobios complejos con amonio-oxidantes y degradadores de fenoles
GRÁNULOS AEROBIOS En unas semanas se alcanza el objetivo pretendido [N-NH 4+ ] = 1 g L -1 [o-cresol] = 0.1 g L -1 [N-NH 4+ ] = 1 g L -1 [N-NO 2- ] = 0.5 g L -1 [N-NH 4+ ] = 0.5 g L -1 [N-NO 2- ] = 0.5 g L -1 [N-NH 4+ ] = 0.5 g L -1 [o-cresol] = 0 g L -1
GRÁNULOS AEROBIOS N-loading rate [N-NO 2 - ]/[N-NH 4 + ] [N-NH 4 + ] effluent [N-NO 2 - ] effluent [N-NO 3 - ] effluent [N-NH 4 + ] influent N-loading rate + -1-1 (g N-NH 4 L d ) N-concentration (mg L -1 ) 1.5 1.2 0.9 0.6 0.3 0.0 1000 800 600 400 200 A B 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Ratio [N-NO 2 - ]/[N-NH4 + ] Alta carga de nitrógeno Adecuada relación nitrito/amonio para un posterior reactor Anammox Sin nitrato en el efluente [o-cresol] effluent [o-cresol] influent [o-cresol] (mg L -1 ) 0 1000 900 400 200 C 0 0 25 50 75 100 125 150 Time (day) Completa eliminación del o- cresol incluyendo grandes choques de carga
GRÁNULOS AEROBIOS Cuál es la clave del éxito? Universal NOB Compuestos fenólicos NH 4 + Acinetobacter O 2 AOB AOB Acinetobacter Corte transversal gránulo + FISH (hibridación fluorescente in situ)
TRATAMIENTO Y RECICLAJE DE AGUAS INDUSTRIALES MEDIANTE SOLUCIONES SOSTENIBLES FUNDAMENTADAS EN PROCESOS BIOLÓGICOS. RED TEMÁTICA 316RT0508 Financiado por: