LA DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS DEL FUTURO. EL PROYECTO SAVINGE Nombre: Dr. Julián Carrera Institución: Universidad Autónoma de Barcelona
CUÁL ES LA CONFIGURACIÓN MÁS EFICIENTE EN LA ACTUALIDAD PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES URBANAS? Proceso de lodos activos incorporando la eliminación biológica de nutrientes mediante nitrificación/desnitrificación y eliminación de fósforo. Añadiendo el tratamiento específico del agua de rechazo de la digestión anaeróbica de fangos mediante eliminación autotrófica de nitrógeno (anammox).
CUÁL ES LA CONFIGURACIÓN MÁS EFICIENTE EN LA ACTUALIDAD PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES URBANAS? Ese sistema, en el mejor de los casos, aún consume 8 kwh/heq/año. Sistemas menos avanzados pueden consumir de media hasta 16 kwh/heq/año. La única recuperación energética se produce a través de la producción de biogás con el exceso de lodos (primarios y secundarios). No obstante, en el mejor de los casos, se podría recuperar el 50% del consumo. La razón es que se debe emplear gran parte de la materia orgánica del agua en la desnitrificación.
Oxígeno y energía requeridos Aeración eliminación DQO Aeración eliminación N Depuradora convencional Energía (wh/heq/d) Depuradora convencional eliminación autótrofa de N del agua de rechazo Depuradora con eliminación autótrofa de N en la línea de aguas 40 30 15 22 22 16 Bombeo/Mezcla 20 20 15 Producción biogás +38 +51 +70 Balance neto 44 21 +24
CÓMO SE PUEDE CONSEGUIR UNA DEPURADORA PRODUCTORA NETA DE ENERGÍA? PRODUCCIÓN BIOGÁS Derivar la mayor parte de la materia orgánica a la digestión anaeróbica COSTES AERACIÓN Debe reducirse significativamente la aeración IMPLICACIONES: No habrá materia orgánica para la desnitrificación. Se necesita un proceso con menos requerimientos de oxígeno
CÓMO SE PUEDE CONSEGUIR UNA DEPURADORA PRODUCTORA NETA DE ENERGÍA? Si se necesita: PRODUCCIÓN BIOGÁS COSTES AERACIÓN Implementando la eliminación biológica autótrofa de nitrógeno en la línea principal de aguas de la depuradora Producción neta de energía: 19 kwh/heq/año
CÓMO SE PUEDE IMPLEMENTAR LA ELIMINACIÓN AUTÓTROFA DE NITRÓGENO EN LA LÍNEA PRINCIPAL DE AGUAS? Obviamente, pasa por conseguir la oxidación parcial de la mitad de amonio hasta nitrito y la posterior etapa anammox. El problema es que debe conseguirse durante todo el año, es decir, también a bajas temperaturas en una parte importante de los países del mundo. En Europa, por ejemplo, supone que el sistema sea robusto y funcione entre 1015 ºC. Lo más sencillo sería utilizar los sistemas industriales que ya se utilizan en el tratamiento del agua de rechazo. Estos sistemas son todos de una etapa (onestage). Otra opción es utilizar un sistema de dos etapas (twostage).
CÓMO SE PUEDE IMPLEMENTAR LA ELIMINACIÓN AUTÓTROFA DE NITRÓGENO EN LA LÍNEA PRINCIPAL DE AGUAS? SISTEMAS ONESTAGE Un único reactor aerobio operado con bajas concentraciones de DO Tecnologías: CANON, OLAND, DEMON Menores costes que los sistemas twostage Con frecuencia hay crecimiento NOB a bajas temperaturas Bajas velocidades de conversión del amonio (<0.05 g N/L/d) SISTEMAS TWOSTAGE Dos reactores diferenciados: un reactor para la PN y otro para AMX Nitritación parcial estable a baja temperatura con eliminación de NOB Anammox siempre en condiciones anóxicas y protegido contra la llegada de DQO Mayores velocidades de conversión que en los sistemas onestage Mayores costes que los sistemas onestage
PRIMER PASO: DESARROLLO A ESCALA DE LABORATORIO (CIENCIA)
Nitritación parcial NH 4 + + 0.75O 2 + HCO 3 0.5NH 4 + + 0.5NO 2 + CO 2 + 1.5H 2 O AOB NOB ESTRATEGIA [DO]/[NNH 4+ ] Estrictas condiciones de limitación por oxígeno Alta concentración residual de amonio Maximiza la actividad AOB y reprime de forma efectiva la actividad NOB
Nitritación parcial NH 4 + + 0.75O 2 + HCO 3 0.5NH 4 + + 0.5NO 2 + CO 2 + 1.5H 2 O AOB NOB ESTRATEGIA [DO]/[NNH 4+ ] Maximiza la actividad AOB y reprime de forma efectiva la actividad NOB 92 ± 4 % AOB 1 ± 1 % NOB
Nitritación parcial NH 4 + + 0.75O 2 + HCO 3 0.5NH 4 + + 0.5NO 2 + CO 2 + 1.5H 2 O AOB NOB ESTRATEGIA [DO]/[NNH 4+ ] Maximiza la actividad AOB y reprime de forma efectiva la actividad NOB µ max = 0.63 ± 0.05 d 1
OPERACIÓN A LARGO PLAZO DEL REACTOR NITRIFICANTE A BAJA TEMPERATURA 1.25 2.5 NLR, AOR (g N L 1 d 1 ) NConcentrations (g N L 1 ) 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 80 60 40 20 Nitrogen loading rate (NLR) Time (days) Ammonium oxidation rate (AOR) Dissolved oxygen (DO) TAN Influent TAN Effluent TNN Effluent 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 DO concentration (mg O 2 L 1 ) Nitrogen loading rate (NLR) 0 Ammonium oxidation rate (AOR) 0 50 100 150 Dissolved 200 oxygen 250 (DO) TAN Influent TAN Effluent TNN Effluent NNO3 Effluent NNO3 Effluent Nitritación parcial estable a 10 ºC NLR = 0.63 ± 0.06 g N/L/d AOR = 0.34 ± 0.06 g N/L/d Válido para anammox Eficiente represión de los NOB NNO 3 = 0.6 ± 0.3 mg N/L
Proceso Anammox NH 4 + + 1.32NO 2 + 0.066HCO 3 + 0.13H + 1.02N 2 + 0.26NO 3 + 0.066CH 2 O 0.5 N 0.15 + 2.03H 2 O UTILIZAR UN UASB: UAnSB Reactores simples y baratos de operar Desarrollo de sobrecapacidad Permite mantener una gran capacidad anammox a bajas temperaturas
OPERACIÓN A LARGO PLAZO DEL REACTOR ANAMMOX A BAJA TEMPERATURA NLR and NRR (g N L 1 d 1 ) NSpecies (mg L 1 ) 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 70 60 50 40 30 20 10 0 T NLR NRR 0 70 140 210 280 350 420 Time (Days) T Ammonium influent (mg L 1 ) NLR Nitrite influent (mg L 1 ) NRR A B 25 20 15 10 Temperature (ºC) Ammonium effluent (mg L 1 ) Nitrite effluent (mg L 1 ) Ammonium influent (mg L 1 ) Nitrite Nitrate influent effluent (mg (mg L L 1 ) T ( C) Operación anammox estable 11 C NRR (g N L 1 d 1 ) Longterm 13 2.0 ± 0.3 8 months 11 1.8 ± 0.1 3 months
NLR and NRR (g N L 1 d 1 ) NLR and NRR (g N L 1 d 1 ) 4.5 25 4.0 0.5 C por día 3.5 3.0 20 2.5 2.0 1.5 15 1.0 0.5 0.0 10 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 Time (Days) 4.5 25 4.0 Bajada directa 3.5 3.0 20 2.5 2.0 1.5 15 1.0 0.5 0.0 T 10 300 310 320 330 340NLR 350 360 370 380 390 400 NRR Time (Days) Temperature (ºC) Temperature (ºC) Cambio de temperatura del agua en climas temperados T NLR NRR 0.5 C por semana El descenso de temperatura no afecta de forma inmediata al proceso
Proceso Anammox NH 4 + + 1.32NO 2 + 0.066HCO 3 + 0.13H + 1.02N 2 + 0.26NO 3 + 0.066CH 2 O 0.5 N 0.15 + 2.03H 2 O POBLACIÓN ANAMMOX EN EL UAnSB 38 ± 5% Ca. Brocadia anammoxidans 15 ± 2% Ca. Brocadia fulgida 4 ± 1% Ca. Kuenenia suttgartiensis 10 ± 4% Ca. Anammoxoglobus propionicus
SEGUNDO PASO: DESARROLLO A ESCALA DE PILOTO (TRANSFERENCIA) Implementación de la eliminación biológica autótrofa de nitrógeno (nitritación + anammox) en la línea principal de aguas LIFE14 ENV/ES/000633 LIFE SAVINGE
SOCIOS: DURACIÓN: 01/10/2015 31/03/2019 PRESUPUESTO: 1,169,000 Cofinanciado por:
IMPACTOS ESPERADOS El impacto de la aplicación de la tecnología SAVINGE frente a las tecnologías convencionales para el tratamiento de las aguas residuales urbanas se espera que sea: Incremento del 50% en la producción de biogás Reducción de un 10% del vertido de nitrógeno Ahorro energético de un 30% en el proceso de eliminación de nitrógeno Ahorro energético de un 40% en el proceso global de depuración Reducción de un 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero
LA TECNOLOGÍA SAVINGE Astage: organic matter removal Bstage: nitrogen removal Nitritation Anammox Urban wastewater Treated wastewater Air ANAEROBIC DIGESTION Air
LA PLANTA PILOTO SAVINGE De 5 a 360 L De 2 a 400 L
DESARROLLO DEL PROYECTO SAVINGE Se inició a finales del 2015 con el diseño y construcción de la planta piloto. En julio de 2016 empezó la puesta en marcha de la planta piloto. Cada reactor se inoculó y operó con biomasas y procedimientos diferenciados. En mayo de 2017 se conectaron los tres reactores. Se espera finalizar el pilotaje a finales de 2018.
SEGUIMIENTO DEL PROYECTO SAVINGE Los avances y noticias del proyecto se pueden seguir en la web y la cuenta de twitter del proyecto. http://savinge.eu/es @Life_SAVING_E
TRATAMIENTO Y RECICLAJE DE AGUAS INDUSTRIALES MEDIANTE SOLUCIONES SOSTENIBLES FUNDAMENTADAS EN PROCESOS BIOLÓGICOS. RED TEMÁTICA 316RT0508 Financiada por: