ES2567568T3 - Procedimiento e instalación de tratamiento de efluentes que contienen nitrógeno, en un reactor biológico secuencial - Google Patents

Procedimiento e instalación de tratamiento de efluentes que contienen nitrógeno, en un reactor biológico secuencial Download PDF

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Abstract

Procedimiento de tratamiento de efluentes que contienen nitrógeno en forma de amonio, que utiliza un reactor biológico secuencial (1) según el cual: - un volumen de efluente a tratar en un ciclo completo se introduce por fracciones de volumen sucesivas en el reactor biológico, siendo cada fracción de volumen tratada durante un sub-ciclo, permitiendo la introducción sucesiva de las fracciones de volumen ejercer una presión de selección bacteriana favorable al desarrollo y a la actividad de las bacterias nitritantes por golpes de carga amoniacal, - cada sub-ciclo comprende una fase de alimentación por una fracción de volumen y, de manera alterna, dos etapas de tratamiento, a saber: - una primera etapa aireada, durante la cual tiene lugar una oxidación total o parcial del amonio en nitritos, - seguida de una segunda etapa no aireada, en anoxia, durante la cual los nitritos producidos y el amonio se convierten en nitrógeno gaseoso, caracterizado por que: - durante la primera etapa aireada la concentración de oxígeno disuelto en el reactor biológico se mantiene entre 0,1 mgO2/l y 0,6 mgO2/l, - la relación N-NO2:N-NH4 se ajusta para estar comprendida entre 0,9 y 1,5 al principio de la etapa no aireada, - y la etapa no aireada se realiza por desamonificación, sin aporte de sustrato carbonado.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento e instalacion de tratamiento de efluentes que contienen nitrogeno, en un reactor biologico secuencial
La invencion se refiere a un procedimiento de tratamiento de efluentes que contienen nitrogeno en forma de amonio, que utiliza un reactor biologico secuencial, comprendiendo el procedimiento
- una primera etapa aireada, durante la cual tiene lugar una oxidacion total o parcial del amonio en nitritos,
- seguida de una segunda etapa no aireada durante la cual los nitritos producidos y el amonio se convierten en nitrogeno gaseoso,
procedimiento segun el cual se ejerce una presion de seleccion bacteriana, favorable al desarrollo y a la actividad de las bacterias nitritantes, para realizar en el mismo reactor y de manera alterna las dos etapas de tratamiento, y se realiza a golpes o picos de carga amoniacal gracias a la introduccion sucesiva de las fracciones de volumen conocidas del efluente a tratar en el reactor biologico,
siendo vertido un volumen de efluente a tratar en un ciclo completo en el reactor por fracciones en volumen sucesivas, siendo el ciclo completo de tratamiento dividido en sub-ciclos sucesivos, comprendiendo cada sub-ciclo una fase de alimentacion por una fraccion de volumen, despues una fase de aireacion para provocar la nitritacion, y despues una fase de anoxia durante la cual la aireacion se detiene.
Un procedimiento del tipo definido anteriormente es conocido segun la solicitud de patente FR 2 889 180 A1. El procedimiento de acuerdo con este documento permite transformar el amonio de manera casi exclusiva en nitritos durante una primera fase oxidativa aireada, antes del paso en nitrogeno gaseoso durante una segunda fase de desnitrificacion anoxica. Sin embargo, la segunda fase corresponde a una reduccion heterotrofa de los nitritos en nitrogeno gaseoso y necesita el aporte de un sustrato carbonado facilmente biodegradable, generalmente introducido en forma de metanol o de etanol, lo que conlleva un coste de explotacion que es deseable reducir.
La invencion se refiere mas particularmente al tratamiento de las aguas de origen urbano, industrial o agroalimentario, o de residuos acuosos que provienen de la deshidratacion de lodos digeridos, del tratamiento de lodos por oxidacion humeda, de los condensados de secado de lodos, de los lixiviados de vertederos, estiercoles, o cualquier instalacion que debe tratar con agua que contenga amonio, sea cual sea su concentracion y su temperatura.
La ausencia de control en la calidad de los residuos de agua procedentes de la actividad humana, agncola o industrial puede generar, a corto o largo plazo, perjuicios importantes sobre la salud y el medio ambiente. Para preservar el medio natural, se han impuesto unas reglamentaciones mas severas para limitar principalmente los residuos de nitrogeno y de fosforo.
En las plantas de depuracion, las contaminaciones carbonadas y nitrogenadas de las aguas usadas son principalmente eliminadas por medios biologicos. Esta via convencional se basa en la capacidad de los microorganismos para eliminar la contaminacion mediante la asimilacion y por biodegradacion, segun diferentes procedimientos resumidos a continuacion.
1/ Nitrificacion convencional
En el caso del nitrogeno, se distinguen esencialmente los tratamientos por nitrificacion y desnitrificacion. Durante la nitrificacion, el amonio se oxida en condiciones aireadas por unas bacterias autrotroficas segun dos etapas: en primer lugar en nitritos por unas bacterias denominadas oxidadoras del amonio AOB (Ammonium-Oxidizing Bacteria), despues en nitratos por unas bacteria denominadas oxidadoras de los nitritos NOB (Nitrite-Oxidizing Bacteria). Durante la desnitrificacion, los nitratos producidos son finalmente reducidos en nitrogeno gaseoso en condiciones de anoxia por una asociacion de bacterias heterotrofas, que necesitan carbono facilmente biodegradable.
El principal problema relacionado con el tratamiento convencional del nitrogeno por nitrificacion y desnitrificacion esta causado en particular por:
* las altas necesidades de oxfgeno para la oxidacion del amonio en nitratos (4,57 mgO2/mgN)
* la necesidad de volumenes de reaccion importantes para mantener una edad elevada de lodos y permitir el desarrollo de los microorganismos nitrificantes de bajo mdice de crecimiento,
* la ausencia o la limitacion de carbono biodegradable disponible para la desnitrificacion, lo que impone la utilizacion de una fuente externa de reactivo carbonado con unas necesidades elevadas (2,86 mgC/mgN).
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El coste adicional de este tratamiento convencional es en particular poco ventajoso cuando los efluentes a tratar estan caracterizados por unas relaciones tipologicas bajas de DCO/N (DCO = demanda qmmica de ox^geno; N = nitrogeno).
2/ Nitrificacion parcial o nitrificacion = Derivacion de los nitratos
Para minimizar el impacto del tratamiento por via biologica convencional, la nitrificacion parcial y la desnitrificacion heterotrofa a partir de nitritos se ha propuesto y descrito en los documentos EP 0 826 639 A1 y FR 2 889 180 A1, ya citados. Este tratamiento denominado tambien Derivacion de los nitratos, permite transformar el amonio en nitritos durante una primera fase oxidativa aireada, despues pasar directamente en nitrogeno gaseoso durante una segunda fase de desnitrificacion anoxica. La acumulacion de los nitritos se obtiene gracias al mantenimiento de las condiciones de realizacion tales como las bajas concentraciones de oxfgeno disuelto, el pH, una temperatura elevada y altas concentraciones de amonio. Es por ello que inicialmente este tipo de tratamiento fue propuesto para unos efluentes concentrados de tipo centrados de digestion.
Con respecto al tratamiento biologico convencional descrito anteriormente, aproximadamente el 25% de la energfa de aireacion, el 40% de las necesidades de carbono biodegradable y el 25% de la produccion de lodos se pueden ahorrar con este tipo de tratamiento.
Los mecanismos descritos en el documento EP 0 826 639 A1 conllevan una lixivacion espedfica de la biomasa responsable de la oxidacion de los nitritos en nitratos (NOB) mediante la utilizacion de un reactor quimioestatico sin retencion de biomasa (el caudal de salida es igual al caudal de entrada) en el que la edad de los lodos es fijada por el tiempo de residencia hidraulica. El lixiviado es en parte ffsico, mediante evacuacion de la biomasa, y en parte debido a una inactivacion de las bacterias debida a los parametros de funcionamiento.
En contraste con este sistema, el documento FR 2 889 180A1 ha mostrado la ventaja de utilizar los reactores biologicos secuenciales para la nitrificacion parcial introduciendo unas secuencias de tratamiento espedficas con una duracion limitada, que permiten ejercer de manera estable, por unos picos o a golpes de carga amoniacal, una presion de seleccion favorable al desarrollo de la biomasa responsable de la oxidacion del amonio en nitritos (AOB) y para tratar unas cargas mas importantes gracias a la retencion de biomasa en el reactor biologico secuencial.
En los dos casos, la reduccion heterotrofa de los nitritos en nitrogeno gaseoso necesita, para tener lugar, el aporte de un sustrato carbonado facilmente biodegradable.
3/ Nitritacion y reaccion Anammox = desamonificacion
Para limitar sustancialmente la utilizacion de sustratos carbonados exogenos, incluso reducirlos completamente, tambien es posible el tratamiento del nitrogeno, gracias a una reaccion totalmente autotrofa, en la que la oxidacion del amonio tiene lugar utilizando los nitritos como receptores de electrones en condiciones de anoxia estricta.
En esta solucion, tambien denominada "desamonificacion", es necesario oxidar en primer lugar una parte del amonio en nitritos (por nitritacion) y despues provocar la reaccion de desamonificacion a partir del amonio restante y de los nitritos producidos para formar el nitrogeno gaseoso (N2). El punto sensible de esta reaccion es el mantenimiento de una relacion estabilizada nitritos/amonio durante la primera etapa de tratamiento. Las ganancias con respecto al tratamiento biologico convencional del nitrogeno estan asociadas con los ahorros sobre las necesidades de energfa de aireacion, que se reducen un 60%, y con el hecho de que ya no es necesario carbono facilmente biodegradable para la desnitrificacion.
Se han propuesto varias realizaciones para esta aplicacion utilizando uno o dos reactores (WO 00 5176 y EP 931 023 B1). Cuando se utilizan dos reactores para efectuar el tratamiento, la etapa de nitritacion se realiza habitualmente en un reactor de tipo quimioestatico sin retencion de biomasa con, como lfmite principal, la estabilidad de la produccion de los nitritos, que no se puede garantizar facilmente ya que depende en gran medida, en este sistema de la concentracion, de biocarbonatos del efluente. Ademas, las cargas maximas admisibles por este procedimiento estan limitadas por un tiempo de estancia hidraulica de 1 a 2 dfas.
Teniendo en cuenta los bajos porcentajes de crecimiento de bacterias Anammox, la reaccion de desamonificacion se realiza en unos reactores fluidizados con biopelfcula o en unos reactores biologicos secuenciales en los que se favorece la retencion de biomasa.
El documento WO2007/033393 A1 describe un metodo de regulacion basado en el pH con el que es posible tratar el nitrogeno en paralelo, o de manera simultanea, por nitracion y desamonificacion en un reactor biologico secuencial. Los ciclos de tratamiento se caracterizan por una alimentacion continua durante las fases de reaccion y por una aireacion intermitente controlada por el pH. El funcionamiento de la aireacion por intermitencia se regula en funcion de los valores teoricos de pH para los cuales las variaciones mmimas y maximas son de 0,02 y 0,05 unidades.
El inconveniente de este sistema reside en la estrategia adoptada para la alimentacion de efluentes, que no resulta
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Exposicion de la invencion
Para paliar a estos inconvenientes, y a fin de mejorar la solucion descrita en el documento FR 2 889 180 A1, la presente invencion propone tratar los efluentes que contienen amonio por nitratacion y desamonificacion en un reactor biologico secuencial de ciclos fraccionados en el que las fases de reaccion en medio aireado y no aireado tienen una duracion limitada y estan reguladas en funcion al menos de la conductividad medida en el reactor biologico, y preferentemente tambien de la concentracion en oxfgeno disuelto medida en el reactor.
Segun la invencion, el procedimiento de tratamiento de efluentes que contienen nitrogeno en forma de amonio, utilizando un reactor biologico secuencial, procedimiento en el que:
- un volumen de efluente a tratar en un ciclo completo se introduce por fracciones de volumen sucesivas en el reactor biologico, siendo cada fraccion de volumen tratada durante un sub-ciclo, permitiendo la introduccion sucesiva de las fracciones de volumen ejercer una presion de seleccion bacteriana favorable al desarrollo y a la actividad de las bacterias nitritantes a golpes de carga amoniacal,
- cada sub-ciclo comprende una fase de alimentacion por una fraccion de volumen y, de manera alterna, dos etapas de tratamiento, a saber:
- una primera etapa aireada, durante la cual tiene lugar una oxidacion total o parcial del amonio en nitritos,
- seguida de una segunda etapa no aireada, en anoxia, durante la cual los nitritos producidos y el amonio se convierten en nitrogeno gaseoso,
esta caracterizado por que:
- durante la primera etapa aireada la concentracion de oxfgeno disuelto en el reactor biologico se mantiene entre 0,1 mgO2/L y 0,6 mgO2/L,
- la relacion N-NO2:N-NH4 se ajusta para estar comprendida entre 0,9 y 1,5 al principio de la segunda etapa no aireada,
- y la etapa no aireada se realiza por desamonificacion, sin aporte de sustrato carbonado.
Preferentemente, la primera etapa aireada se ajusta en funcion de al menos la conductividad (X) medida en el reactor biologico. Ventajosamente, la primera etapa aireada se ajusta en funcion tambien de la concentracion de oxfgeno disuelto medida en el reactor biologico.
Durante la primera etapa aireada, la concentracion de oxfgeno disuelto se puede mantener entre dos valores umbral por detencion o puesta en marcha del suministro de aire en el reactor biologico.
La duracion de la primera etapa aireada se controla ventajosamente por la medicion de la conductividad (X) en el reactor biologico, y el suministro en aire se detiene si se alcanza un valor umbral (lfmite superior) de conductividad antes de una duracion fijada.
Segun un primer modo de realizacion, en la primera etapa aireada, solo una parte del flujo de amonio aportado por un volumen de efluente a tratar es transformada en nitritos, siendo la parte restante del flujo de amonio suficiente para que, en la segunda etapa no aireada, los nitritos producidos y el amonio no oxidado durante la primera etapa se conviertan en nitrogeno gaseoso.
La parte del flujo de amonio transformada en nitritos al final de la primera etapa aireada esta comprendida entre el 40 y el 60% del flujo aportado.
Segun un segundo modo de realizacion, durante la primera etapa aireada, el flujo de amonio aportado por un volumen de efluente a tratar esta completamente oxidado de nitritos, y al principio de la segunda etapa no aireada, se realiza un aporte suplementario de efluente a tratar que contiene amonio en proporcion del flujo de nitritos producidos en la primera etapa aireada para que la relacion N-NO2:N-NH4 este comprendida entre 0,9 y 1,5.
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El aporte suplementario de efluente amoniacal se puede realizar en proporcion sustancialmente igual al flujo de los nitritos producidos, de manera que la relacion N-NO2:N-NH4 sea sustancialmente igual a 1.
El aporte suplementario de efluente amoniacal a introducir al principio de la segunda etapa no aireada esta ventajosamente determinado teniendo en cuenta un rendimiento de oxidacion del amonio comprendido entre el 75% y el 98% y una relacion N-NO2:N:NH4 a mantener para la desamonificacion entre 0,9 y 1,5.
El aporte suplementario de efluente a introducir al principio de la segunda etapa no aireada puede representar entre el 50% y el 110% del volumen de efluente inicial.
El tiempo de alimentacion con efluente a tratar representa generalmente del 7 al 10% de la duracion total del ciclo de tratamiento.
El numero y la duracion de los sub-ciclos y de las fases de los sub-ciclos pueden ser ajustados gracias a una serie de mediciones en tiempo real del caudal, del oxfgeno disuelto, de la conductividad y del pH en el efluente a tratar, en el reactor biologico y en el residuo.
El numero de sub-ciclos esta generalmente comprendido entre 2 y 8 por ciclo.
La duracion de un ciclo de tratamiento puede estar comprendida entre 4 y 8 horas.
La concentracion de oxfgeno se mide en lmea en el reactor biologico secuencial con la ayuda de una sonda, y se mantiene entre dos valores umbral fijados, y se gestiona por un ordenador o controlador que, en tiempo real, integra las mediciones y permite detener o iniciar el suministro de aire en el reactor.
Ventajosamente, se toman en consideracion unas mediciones en lmea de la concentracion amoniacal y de la conductividad como indicadores de conversion del amonio.
La concentracion de N-NH4 en el reactor puede ser medida indirectamente por la conductividad y directamente por una sonda amoniacal espedfica, y el flujo amoniacal en el efluente a tratar por la conductividad y el caudal.
Preferentemente, el procedimiento utiliza las informaciones de diferentes sensores situados:
- en el efluente a tratar (caudal Q, conductividad X, temperatura T, pH) para determinar la carga de nitrogeno a tratar y el numero de secuencias de tratamiento a efectuar,
- en el reactor biologico secuencial (oxfgeno disuelto O2, conductividad X, temperatura T, pH y concentracion amoniacal) para controlar el desarrollo del proceso biologico durante las fases de aireacion y no aireacion y determinar su duracion,
- en el agua residual (conductividad X, caudal Q) para determinar el rendimiento del tratamiento y ajustar de manera retroactiva el procedimiento,
estando estos sensores conectados a un ordenador o controlador que integra las mediciones en tiempo real y permite asf el desarrollo de los ciclos de tratamiento en modo automatico.
Descripcion breve de los dibujos
En estos dibujos:
La figura 1 es una seccion vertical esquematica de una instalacion conforme a la invencion con un reactor secuencial biologico.
La figura 2 es un diagrama que ilustra las variaciones de las concentraciones de N-NO2, N-NH4, N2 en el reactor biologico en funcion del tiempo, segun un primer modo de realizacion.
La figura 3 es un diagrama que ilustra las variaciones de la concentracion de oxfgeno disuelto y de la conductividad en funcion del tiempo detallado en las abscisas.
La figura 4 es un diagrama que ilustra las variaciones de las concentraciones en N-NO2, N-NH4, N-NO3 y de la concentracion de oxfgeno disuelto, en el reactor biologico en funcion del tiempo detallado en las abscisas.
La figura 5 es un diagrama, parecido al de la figura 4, que ilustra las variaciones de las concentraciones de N-NO2, N-NH4, N-NO3 en funcion del tiempo, y de la relacion nitrito/amonio en el reactor biologico en funcion del tiempo.
La figura 6 es un diagrama, parecido al de la figura 2, que ilustra las variaciones de las concentraciones de N-NO2,
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N-NH4, N2 en el reactor biologico en funcion del tiempo, segun un segundo modo de realizacion.
La figura 7 es un diagrama que ilustra las variaciones de las concentraciones de N-NO2, N-NH4, N-NO3, asf como las variaciones de la conductividad en el reactor biologico en funcion del tiempo, segun el segundo modo de realizacion.
La figura 8 es un diagrama que ilustra, para un ejemplo de realizacion, las variaciones de las concentraciones de nitrogeno en mg/l (N-NH4 entrada, N-NO2 salida, N-NH4 salida y N-NO3 salida) detalladas en las ordenadas, en funcion del tiempo expresado en dfas, detallado en las abscisas, y
La figura 9 es un diagrama que ilustra, para el mismo ejemplo que la figura 8, la variacion de la concentracion de nitrogeno (en mg/l) detallada en el eje de las ordenadas situado a la izquierda, y del rendimiento de eliminacion del nitrogeno (en %) detallado en el eje de las ordenadas situado a la derecha, en funcion del tiempo expresado en dfas, detallado en las abscisas.
Descripcion detallada de la invencion
Refiriendose a la figura 1 de los dibujos, se puede observar que la instalacion de tratamiento del amonio por nitritacion y desamonificacion comprende un reactor biologico secuencial 1, en forma de una cubeta con, corriente arriba, una cubeta tampon 2 en la que se almacena, si es necesario, el efluente a tratar.
La instalacion comprende tambien un conjunto de equipamientos, asociado al reactor 1 y a la cubeta 2, descrito a continuacion:
- un dispositivo de alimentacion 3 del reactor biologico de efluente, en particular en forma de una bomba cuya aspiracion esta unida a la parte inferior de la cubeta 2 y cuya expulsion fluye por un conducto que desemboca en el reactor 1;
- unos medios de aireacion 4, en particular formados por unos tubos, colocados en el fondo del reactor 1 y unidos a una fuente de aire bajo presion 5 por medio de una electrovalvula 6,
- al menos un medio de agitacion mecanica 7, en el reactor 1;
- un sistema de evacuacion de agua tratada, a partir del reactor 1, constituido en particular de una bomba 8 y de un conducto 9 que forma un tubo sumergible hasta un nivel 10 en el reactor 1;
- y un sistema de extraccion de lodos en exceso, si es necesario, con la ayuda de una bomba 11 cuya aspiracion esta unida a la parte inferior del reactor 1 y cuya expulsion fluye por un conducto de residuos.
En el reactor 1 las fracciones de efluente a tratar se suministran de manera sucesiva con la ayuda del dispositivo 3. Se anaden al volumen biologico del reactor definido por el nivel mmimo 10 hasta alcanzar un nivel maximo 12. El volumen hidraulico admitido durante un ciclo de tratamiento determina la capacidad maxima del reactor; este volumen esta comprendido entre el nivel mmimo 10 y el nivel maximo 12.
Despues de la realizacion de diferentes secuencias (sub-ciclos) de tratamiento y de una etapa de decantacion, se realiza el vaciado del agua tratada, gracias al sistema de evacuacion dedicado a ello, del nivel 12 hasta el nivel 10. Los lodos producidos en exceso son evacuados, si es necesario, al final del ciclo de tratamiento con la ayuda del sistema dedicado 8 y 9.
El procedimiento utiliza las informaciones de diferentes sensores situados:
- en el efluente a tratar: sensor 13 para el caudal Q; sensor 14 para la conductividad X; sensor 15 para la temperatura T, sensor 16 para el pH, a fin de determinar la carga de nitrogeno a tratar y el numero de secuencias de tratamiento a efectuar,
- en el reactor biologico secuencial: sensor 17 para la conductividad X; sensor 18 para el oxfgeno disuelto O2; sensor 19 para la temperatura T; sensor 20 para el pH y sensor 21 para la concentracion amoniacal, a fin de control el desarrollo del proceso biologico durante las fases de aireacion y no aireacion y determinar su duracion,
- en el agua de desecho: sensor 22 para la conductividad X; sensor 23 para el caudal Q,
para determinar el rendimiento del tratamiento y ajustar de manera retroactiva el procedimiento.
Estos sensores estan conectados a un ordenador o controlador C que integra las mediciones en tiempo real y permite asf el desarrollo de los ciclos de tratamiento en modo automatico.
Como se ha expuesto anteriormente, la reaccion de desamonificacion utiliza unas bacterias espedficas de bajo
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mdice de crecimiento y necesita unas condiciones particulares para tener lugar. Asf, la etapa preliminar de nitritacion es importante para el mantenimiento del tratamiento por desamonificacion ya que determina la proporcion de dos sustratos de la reaccion, el amonio y los nitritos.
La invencion propone un sistema que combina un reactor biologico 1 capaz de mantener la biomasa para limitar al maximo las perdidas de actividad por lixiviacion de los lodos, y un sistema de gestion fuerte para fiabilizar el tratamiento.
Segun la invencion, el tratamiento del amonio realizado en el reactor biologico secuencial 1 se efectua segun un ciclo de tratamiento (figuras 2 y 6) fraccionado en varios sub-ciclos de alimentacion/aireacion/anoxia. En las figuras 2 y 6 de los dibujos, las fases de cada sub-ciclo estan indicadas por unas indicaciones completas o unas siglas: ALIM (para alimentacion), AER (para aireacion), ANOX (para anoxia). El numero y la duracion de los sub-ciclos se ajustan gracias a una serie de mediciones en tiempo real (conductividad, oxfgeno disuelto, caudal, pH) en el efluente a tratar, en el reactor y en el residuo. El numero de sub-ciclos vana habitualmente entre 2 y 8 por ciclo.
Cada ciclo se termina por una fase de decantacion, seguida de una fase de vaciado.
Esta gestion permite, en particular, evitar unos fenomenos de inhibicion de las bacterias Anammox que se debenan a una fuerte concentracion de nitritos, permitiendo al mismo tiempo establecer unas condiciones de mantenimiento estable de la relacion (N-NO2:N-NH4).
El volumen del efluente a tratar en un ciclo de tratamiento, cuya duracion esta comprendida entre 4 y 8 horas, se vierte en el reactor que contiene la biomasa depuradora por fracciones de volumen sucesivas con el fin de ejercer una presion de seleccion favorable para el desarrollo y para la actividad de las bacterias nitritantes. El volumen del efluente introducido se determina segun la carga a tratar, calculada en funcion del caudal Q y de la conductividad X del efluente. El tiempo de alimentacion del efluente a tratar representa solo del 7 al 10% de la duracion total del ciclo de tratamiento.
Primer modo de realizacion
Segun un primer modo de realizacion, el tratamiento se desarrolla de la siguiente manera.
Durante la primera etapa aireada de un sub-ciclo, durante la cual tiene lugar la oxidacion en nitritos, solo se oxida en nitritos una parte del flujo de amonio aportado por un volumen de efluente a tratar.
La gestion propuesta permite alcanzar y mantener estable durante esta etapa aireada la relacion nitritos/amonio necesaria para la desamonificacion. Esta gestion se ilustra en la figura 2, en la que el eje de las ordenadas esta graduado en porcentaje de N.
Las curvas 24 en lmea continua representan la variacion de la concentracion de N-NH4, mientras que las curvas en lmea discontinua 25 representan la variacion de la concentracion de N-NO2. Durante el aporte de una fraccion de volumen en el reactor, la concentracion de nitrogeno N se debe al 100% al amonio, de manera que la curva 24 comienza en la graduacion 100 al final de la fase de alimentacion (ALIM) que se efectua con aireacion. La curva 24 es decreciente.
La curva 25, que corresponde a la proporcion de N debido a los nitritos NO2, comienza poco tiempo despues del inicio de la aireacion, y es creciente. Las dos curvas 24 y 25 se cruzan, al final de la fase de aireacion, en un punto A cuya ordenada corresponde a una relacion N-NO2:N-NH4 comprendida entre 0,9 y 1,5. Segun el esquema de la figura 2, el punto A se situa aproximadamente al 50%, es decir a una relacion N-NO2:N-NH4 proxima a 1.
La aireacion se detiene entonces y comienza la segunda etapa no aireada, en anoxia, durante la cual el amonio se oxida utilizando los nitritos como aceptores de electrones, para dar nitrogeno gaseoso. La curva 26, sustancialmente rectilmea, ilustra la disminucion de la concentracion en nitrogeno en el reactor 1 durante la fase de anoxia, anulandose la concentracion, o siendo cerca del valor nulo, al final de la fase de anoxia.
Se termina entonces el primer sub-ciclo y puede comenzar un segundo sub-ciclo por una alimentacion con una nueva fraccion de volumen.
El numero de sub-ciclos puede variar entre dos y ocho por ciclo. En el ejemplo de la figura 2, se preven tres sub- ciclos.
La figura 3 es un diagrama que ilustra, en funcion del tiempo anotado en las abscisas, las variaciones de la concentracion de oxfgeno disuelto segun una curva 30, y las variaciones de la conductividad segun una curva p. La conductividad es proporcional a la suma de las formas nitrogenadas ionicas (amonio, nitritos y nitratos), aumenta con el estado de oxidacion de los compuestos de nitrogeno. La conductividad vana en el sentido inverso de la concentracion de oxfgeno disuelto, y constituye un parametro que permite seguir y gestionar bien el tratamiento.
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La figura 4 es un diagrama que ilustra la oxidacion parcial del amonio en nitritos durante la primera etapa aireada o la etapa de nitritacion, por control del oxfgeno disuelto. El ejemplo ilustrado corresponde a una concentracion media del efluente de 660 mg N-NH4/L El tiempo se detalla en las abscisas. En las ordenadas, en la escala de la izquierda, se detalla el contenido de nitrogeno expresado en mg/l mientras que en la escala de la derecha se detalla el contenido de oxfgeno disuelto O2 (expresado en mg/l). La curva 27 ilustra la evolucion de la concentracion N-NO2, que permanece a aproximadamente 300 mg/l. La curva 28 representa la evolucion del contenido en N-NH4 que permanece comprendido entre 250 y 300 mg/l. La curva 29 ilustra la evolucion de N-NO3 cuya concentracion permanece baja, inferior a 50 mg/l, lo que muestra que la oxidacion de nitratos es practicamente inexistente.
La curva 30 ilustra las variaciones de la concentracion de oxfgeno disuelto. Las partes crecientes de esta curva corresponden a las fases de aireacion y las partes descendientes a las fases de anoxia.
La figura 5 es un diagrama parecido al de la figura 4 con, en las abscisas, el tiempo, y en el eje de las ordenadas, situado a la izquierda, el contenido de nitrogeno expresado en mg/l. Se vuelven a encontrar las curvas 27, 28 y 29 de la figura 4. En el eje de las ordenadas situado en la derecha, se detallan los valores de la relacion N-nitritos(N- amonio (N-NO2:N-NH4). Los puntos de medicion de la relacion N-nitritos/N-amonio estan designados por la referencia 31 y esta comprendidos entre 1 y 1,3.
Durante cada sub-ciclo, la oxidacion del flujo amoniacal aportado por el volumen de agua vertido en el reactor esta controlada por bajas concentraciones de oxfgeno disuelto (entre 0,1 mgO2/l y 0,6 mgO2/l) lo que permite oxidar en nitritos solo entre el 40 y el 60% del amonio aportado (figura 2).
La concentracion de oxfgeno, medida en lmea en el reactor biologico secuencial 1 con la ayuda de la sonda 18, se mantiene entre dos valores lfmites fijados, y se gestiona por el ordenador o el controlador C que, en tiempo real, integra las mediciones y permite detener o iniciar el suministro en aire en el reactor, por cierre o apertura de la valvula 6. Las mediciones en lmea de la concentracion amoniacal y de la conductividad se toman en cuenta como indicadores de conversion del amonio.
La conversion del amonio y de los nitritos producidos en nitrogeno gaseoso se realiza en condiciones de anoxia estricta en la segunda etapa de tratamiento. La duracion de la etapa de anoxia se controla por la medicion en lmea de la conductividad X (que disminuye progresivamente) en el reactor biologico secuencial 1, con la ayuda de la sonda espedfica 17. La detencion de la etapa de anoxia se produce antes de la duracion prevista inicialmente, en funcion de la carga nitrogenada y del rendimiento de eliminacion del nitrogeno, si se alcanza el valor umbral inferior de conductividad controlado por el ordenador C. La concentracion de lodos en el reactor biologico secuencial estara comprendida entre 2 g/l y 12 g/l y la edad de los lodos entre 4 y 35 dfas.
Segundo modo de realizacion
Se considera ahora un segundo modo de realizacion posible.
Durante la primera etapa aireada de nitritacion, el flujo de amonio aportado por el volumen de efluente se oxida completamente de nitritos.
Al final de la primera etapa aireada, y al principio de la segunda etapa no aireada, se realiza un aporte suplementario de efluente amoniacal en proporcion igual al flujo de los nitritos producidos en la primera etapa aireada. Con una relacion nitritos:amonio (N-NO2:N-NH4) estabilizada, el amonio y los nitritos se convierten en nitrogeno gaseoso en condiciones de anoxia estricta durante la segunda etapa no aireada.
La concentracion de oxfgeno disuelto en el reactor biologico se mantiene entre 0,1 mgO2/l y 0,6 mgO2/l durante la etapa de aireacion. La duracion de esta etapa se controla mediante la medicion en lmea de la conductividad X gracias a la sonda espedfica 17 que permite integrar la medicion y detener el suministro en aire si se alcanza un valor lfmite superior de conductividad (reflejando un estado de oxidacion elevado de los compuestos de nitrogeno) antes de la duracion fijada.
Las fracciones de volumen de efluente a introducir en medio no aireado se calculan teniendo en cuenta un rendimiento de oxidacion del amonio comprendido entre el 75% y el 98% y de una relacion N-NO2:N-NH4 a mantener para la desamonificacion entre 0,9 y 1,5. Representan entre el 50% y el 110% del volumen de efluente inicial.
La concentracion en N-NH4 en el reactor se mide indirectamente por la conductividad X, gracias a la sonda 17, y directamente por la sonda amoniacal espedfica 21. El flujo amoniacal en el efluente a tratar se determina por la conductividad X, gracias a la sonda 14, y por el caudal Q gracias al sensor 13.
La figura 6 ilustra, de manera parecida a la figura 2, un ciclo de tratamiento para la eliminacion del nitrogeno por nitritacion y desamonificacion, segun el segundo modo de realizacion. El flujo de amonio aportado se oxida
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completamente de nitritos durante la primera etapa aireada.
Un sub-ciclo comprende una primera fase (alimentacion + aireacion), representada por una zona B, durante la cual una fraccion de volumen del flujo a tratar se introduce en el reactor. La curva ascendiente en lmea continua 32 refleja este aporte de NH4 hasta un porcentaje del 100% antes de que comience la oxidacion en nitritos ilustrada por la curva en lmea discontinua 33.
El flujo de amonio esta totalmente oxidado de nitritos durante la fase de aireacion de manera que el contenido de N- NNH4 decrece segun la curva 34 en lmea continua hasta un valor nulo o sustancialmente nulo al final de la fase de aireacion. Durante el mismo tiempo, la curva 33 que representa la proporcion de N-NO2 alcanza sustancialmente el valor del 100% al final de la fase de aireacion.
Al final de esta fase de aireacion, y al principio de la segunda fase no aireada en anoxia, se realiza un aporte suplementario de efluente amoniacal en la zona B1 del diagrama en una proporcion igual al flujo de los nitritos producidos. Este aporte se ilustra mediante la curva en lmea continua 35 que llega al vertice de la curva 33 en el punto A1. El aporte suplementario de efluente amoniacal en la zona B1 esta comprendido entre el 50 y el 110% del volumen inicial de la fraccion de volumen B segun la relacion (N-NO2:N-NH4) deseada (preferentemente comprendido entre 0,5 y 1,9).
El aporte de flujo amoniacal ilustrado por la curva 35 se determina a partir de las diversas medidas efectuadas en la instalacion para que, al final de este aporte suplementario, la relacion nitritos:amonio (N-NO2:N-NH4) sea igual a 1 o aproximadamente 1.
Durante la fase siguiente de anoxia, la concentracion en nitrogeno, debida a la oxidacion del amonio a partir de los nitritos, disminuye hasta anularse, como se ilustra por la curva 36 en lmea discontinua.
El sub-ciclo se termina cuando la curva 36 llega al eje de las abscisas. Un segundo sub-ciclo se activa por la introduccion de una nueva fraccion de volumen y la puesta en marcha de la aireacion.
El ciclo completo de tratamiento de efluente comprende al menos dos sub-ciclos y preferentemente menos de ocho sub-ciclos. Segun el ejemplo de la figura 6, se preven al menos tres sub-ciclos.
La figura 7 es un diagrama que ilustra la gestion de las fases de aireacion por medicion de conductividad durante el tratamiento del nitrogeno por nitritacion y desamonificacion en un reactor biologico secuencial 1. El tiempo, expresado en horas y minutos, se detalla en las abscisas mientras que en las ordenadas, en el eje situado a la izquierda, se detallan las concentraciones en nitrogeno expresadas en mg/L y sobre el eje situado a la derecha se refleja la conductividad expresada en microsiemens/cm (|iS/cm). El diagrama de la figura 7 corresponde a un efluente a tratar que contiene 746 mg de N-NH4/l y que presenta una conductividad de 5340 |iS/cm.
La curva 37 ilustra las variaciones de la concentracion en N-NH4. La sucesion de curvas 38 ilustra las variaciones de la concentracion de N-NO2. La curva 39 ilustra las variaciones de la concentracion en N-NO3 y hace parecer que la presencia de nitratos es insignificante. La curva 40 ilustra las variaciones de la conductividad medida en diferentes momentos, para los cuales se miden tambien N-NH4 y N-NO2; los resultados de medicion aparecen en forma de puntos situados en una misma vertical.
Cada curva 38 comprende una parte izquierda ascendente, que corresponde a la fase de aireacion y a la curva 33 de la figura 6, que ilustra la oxidacion del amonio en nitritos. La concentracion en N-NH4 disminuye, lo que corresponde a la parte decreciente de la curva 37. La curva de conductividad 40 pasa por un maximo relativo que corresponde al maximo de la curva 38. De manera general, la conductividad refleja el estado de oxidacion del amonio, aumentando o disminuyendo la conductividad segun el aumento o la disminucion del estado de oxidacion.
La parte derecha descendiente de cada curva 38 corresponde a la fase anoxia y a la curva 36, con liberacion de nitrogeno gaseoso. Los segmentos 41 del eje de las abscisas que separan dos curvas 38 corresponden a la introduccion de la fraccion de volumen suplementaria ilustrada por la curva 35 en la figura 6. Las partes extremas de las curvas 37 y 40 situadas a la derecha del diagrama de la figura 7 corresponden a las fases de decantacion y de vaciado de la figura 6.
Se da a continuacion un ejemplo de los resultados obtenidos aplicando las disposiciones de esta solicitud de patente.
Las condiciones de funcionamiento del reactor se describen a continuacion.
Volumen util del reactor
4,1 m3
Fase de alimentacion centralizada
7,5% del ciclo
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Fase de aireacion
32% del ciclo
Fase de desamonificacion
45% del ciclo
Concentracion media de oxfgeno durante la aireacion
0,55 mg/l
Concentracion media de amonio en el efluente a tratar
410 mg/l
Conductividad media del efluente a tratar
3850 |jS/cm
Los resultados de la aplicacion del procedimiento se presentan en forma de graficos (diagramas) en las figuras 8 y 9.
Las concentraciones de amonio en la entrada y en la salida del procedimiento, asf como las de nitritos y de nitratos se presentan en funcion del tiempo.
Al final del primer mes de funcionamiento, se observa la desaparicion total de los nitratos y la acumulacion de los nitritos en el efluente de salida del reactor. La relacion NO2/NH4 es del orden de 1,2 al final de fase aireada.
Despues de dos meses y medio de tratamiento, aparece la actividad de desamonificacion y permite eliminar una parte de los nitritos producidos. En tres meses, la actividad de desamonificacion permite tratar la totalidad del flujo de nitritos producidos en la fase aireada. La fortaleza del producto ha permitido por otro lado, durante este periodo de instalacion de la actividad de desamonificacion, aumentar la concentracion de amonio a tratar de 350 mg/l a 750 mg/l en menos de un mes (figura 8).
El rendimiento de eliminacion del nitrogeno por nitrificacion/desamonificacion alcanza el 95% en un mes y medio. Los nitratos, productos finales de la reaccion de desamonificacion, representan el 90% del nitrogeno contenido en el efluente tratado (figura 9).
Las condiciones descritas en la solicitud de patente permiten obtener en un corto periodo de tiempo (tres meses) un rendimiento de desamonificacion del 95% sin aporte de biomasa externa, mientras que las informaciones disponibles sobre el estado de la tecnica [Startup of reactors for anoxie ammonium oxidation : experiences from the first full- scale anammox reactor in Rotterdam. W.R.L. van der Star, W.R. Abma, D. Blommers, J-W Mulder, T. Tokutomi, M. Strous, C. Piciorenu, M.C.M. van Loosdrecht. Water Research 41 (2007) 4149-4163.] et [(Treatment of sludge return liquors : experiences from the operation of full-scale plants. N. Jardin, D. Thole, B. Wett.) Weftec (2006)] indican un inicio de al menos seis meses con aporte importante de biomasa que procede de otro reactor de desamonificacion (aportae acumulada de hasta el 24%).

Claims (19)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de tratamiento de efluentes que contienen nitrogeno en forma de amonio, que utiliza un reactor biologico secuencial (1) segun el cual:
    - un volumen de efluente a tratar en un ciclo completo se introduce por fracciones de volumen sucesivas en el reactor biologico, siendo cada fraccion de volumen tratada durante un sub-ciclo, permitiendo la introduccion sucesiva de las fracciones de volumen ejercer una presion de seleccion bacteriana favorable al desarrollo y a la actividad de las bacterias nitritantes por golpes de carga amoniacal,
    - cada sub-ciclo comprende una fase de alimentacion por una fraccion de volumen y, de manera alterna, dos etapas de tratamiento, a saber:
    - una primera etapa aireada, durante la cual tiene lugar una oxidacion total o parcial del amonio en nitritos,
    - seguida de una segunda etapa no aireada, en anoxia, durante la cual los nitritos producidos y el amonio se convierten en nitrogeno gaseoso,
    caracterizado por que:
    - durante la primera etapa aireada la concentracion de oxfgeno disuelto en el reactor biologico se mantiene entre 0,1 mgO2/l y 0,6 mgO2/l,
    - la relacion N-NO2:N-NH4 se ajusta para estar comprendida entre 0,9 y 1,5 al principio de la etapa no aireada,
    - y la etapa no aireada se realiza por desamonificacion, sin aporte de sustrato carbonado.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la primera etapa aireada se ajusta en funcion al menos de la conductividad (X) medida en el reactor biologico.
  3. 3. Procedimiento segun la reivindicacion 2, caracterizado por que la primera etapa aireada esta ajustada en funcion tambien de la concentracion de oxfgeno disuelto medida en el reactor biologico.
  4. 4. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que durante la primera etapa aireada, la concentracion de oxfgeno disuelto se mantiene entre dos valores umbrales por detencion o puesta en marcha del suministro de aire en el reactor biologico.
  5. 5. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la duracion de la primera etapa aireada esta controlada por la medicion de la conductividad (X) en el reactor biologico, y el suministro en aire se detiene si se alcanza un valor umbral (lfmite superior) de conductividad antes de un tiempo fijado.
  6. 6. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en la primera etapa, solo una parte del flujo de amonio aportado por un volumen del efluente a tratar se transforma en nitritos, siendo la parte restante del flujo de amonio suficiente para que, en la segunda etapa no aireada, los nitritos producidos y el amonio no oxidado durante la primera etapa se conviertan en nitrogeno gaseoso.
  7. 7. Procedimiento segun la reivindicacion 6, caracterizado por que la parte del flujo de amonio transformada en nitritos al final de la primera etapa aireada esta comprendida entre el 40 y el 60% del flujo aportado.
  8. 8. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que durante la primera etapa aireada, el flujo de amonio aportado por un volumen del efluente a tratar esta completamente oxidado de nitritos, y por que al principio de la segunda etapa no aireada, un aporte suplementario del efluente a tratar que contiene amonio se realiza en proporcion del flujo de nitritos producidos en la primera etapa aireada para que la relacion N- NO2:N-NH4 este comprendida entre 0,9 y 1,5.
  9. 9. Procedimiento segun la reivindicacion 8, caracterizado por que el aporte suplementario de efluente amoniacal se realiza en proporcion sustancialmente igual al flujo de los nitritos producidos, de manera que la relacion N-NH2:N- NH4 sea sustancialmente igual a 1.
  10. 10. Procedimiento segun la reivindicacion 8 o 9, caracterizado por que el aporte suplementario en efluente amoniacal a introducir al principio de la segunda etapa no aireada se determina teniendo en cuenta un rendimiento de oxidacion del amonio comprendido entre el 75% y el 98% y una relacion N-NO2:N-NH4 a mantener para la desamonificacion entre 0,9 y 1,5.
  11. 11. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado por que el aporte suplementario de efluente a introducir al principio de la segunda etapa no aireada representa entre el 50% y el 110% del volumen del
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    efluente inicial.
  12. 12. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el tiempo de alimentacion del efluente a tratar representa del 7 al 10% de la duracion total del ciclo de tratamiento.
  13. 13. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el numero y la duracion de los sub-ciclos y de las fases de los sub-ciclos se ajustan gracias a una serie de mediciones en tiempo real del caudal, del oxfgeno disuelto, de la conductividad y del pH en el efluente a tratar, en el reactor biologico y en los residuos.
  14. 14. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el numero de sub- ciclos esta comprendido entre 2 y 8 por ciclo.
  15. 15. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la duracion de un ciclo de tratamiento esta comprendido entre 4 y 8 horas.
  16. 16. Procedimiento segun la reivindicacion 3, caracterizado por que la concentracion de oxfgeno se mide en lmea en el reactor biologico secuencial (1) con la ayuda de una sonda (18), y se mantiene entre dos valores umbrales fijados, y esta gestionada por un ordenador o controlador (C) que, en tiempo real, integra las mediciones y permite detener o iniciar el suministro en aire en el reactor.
  17. 17. Procedimiento segun la reivindicacion 16, caracterizado por que se toman en consideracion unas mediciones en lmea de la concentracion amoniacal y de la conductividad como indicadores de conversion del amonio.
  18. 18. Procedimiento segun la reivindicacion 17, caracterizado por que la concentracion de N-NH4 en el reactor (1) se mide indirectamente por la conductividad (X) y directamente por una sonda amoniacal espedfica y el flujo amoniacal en el efluente a tratar por la conductividad (X) y el caudal (Q).
  19. 19. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que utilizan las informaciones de diferentes sensores situados:
    - en el efluente a tratar (caudal Q, conductividad X, temperatura T, pH) para determinar la carga de nitrogeno a tratar y el numero de secuencias del tratamiento a efectuar,
    - en el reactor biologico secuencial (oxfgeno disuelto O2, conductividad X, temperatura T, pH y concentracion amoniacal) para controlar el desarrollo del proceso biologico durante las fases de aireacion y no aireacion y determinar su duracion,
    - en el agua residual (conductividad X, caudal Q) para determinar el rendimiento del tratamiento y ajustar de manera retroactiva el procedimiento,
    estando estos sensores conectados a un ordenador o controlador (C) que integra las mediciones en tiempo real y permite asf el desarrollo de los ciclos de tratamiento en modo automatico.
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