NO 2 - EULA

Revalorización de subproductos del sector agropecuario: oportunidades y desafios
Eliminación del nitrógeno en purines:
¿Qué proceso es el más adecuado?
José Luis Campos Gómez
Departamento de Ingeniería Química
15 de julio de 2010 Concepción
Índice
Eliminación del nitrógeno en purines: ¿Qué proceso es el más adecuado?
1 Contaminación de las aguas por compuestos nitrogenados
2 Procesos biológicos para la eliminación de nitrógeno
2.1 Nitrificación-desnitrificación
2.2 Nitrificación parcial
2.3 Proceso Anammox
3 Implantación del proceso Anammox a escala industrial
4 Aplicaciones del proceso Anammox al tratamiento de purines
5 Conclusiones
1 Contaminación de las aguas por
compuestos nitrogenados
Contaminación de las aguas
Ciclo del nitrógeno
Contaminación de las aguas
Origen de los contaminantes en el ambiente
Contaminación de las aguas
Efectos de los contaminantes en el ambiente
Amonio:
Eutrofización: Crecimiento excesivo de algas
Toxicidad: Especies de la fauna acuática
Pérdida de oxígeno en las aguas: oxidación a nitrato
Nitrito y nitrato:
Metahemoglobinemia: ingestión de nitritos
Formación de nitrosaminas y nitrosamidas: cancerígenos
Alteraciones de los vasos sanguíneos
Desnitrificación incompleta: formación de N2O
Contaminación de las aguas
Selección de la tecnología para la eliminación de nitrógeno
Parámetro clave: Concentración de amonio
a) Concentraciones de amonio de hasta 100 mg N/L:
Procesos biológicos
b) Concentraciones de amonio en el rango de 100-5000 mg N/L:
Tratamiento por procesos biológicos es más económico
c) Concentraciones de amonio mayores a 5000 mg N/L:
Métodos físico-químicos son técnica y económicamente factibles
Arrastre con aire
Precipitación
Intercambio iónico
2 Procesos biológicos para la
eliminación de nitrógeno
Procesos biológicos
Ciclo del nitrógeno
NH+4+
NH4
Ammonium
Materia
fecal
N org
Proteína
Animal
Orina
Urea
N2
Atmospheric
N2
Nitrogen
N org
Proteína
vegetal
NO3-
NO2-
Procesos biológicos
Fracción sólida
Centrífuga
Purín
Compostaje
Tanque de
homogeneización
Fracción líquida
Tratamiento biológico
ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO: Depende de cómo se elimine la materia orgánica
1.- Tratamiento aerobio: Nitrificación-desnitrificación
2.- Tratamiento anaerobio: Nitrificación parcial/ Anammox y desnitrificación
Nitrificación-desnitrificación
2.1 Nitrificación-desnitrificación
NH+
4
O2
N
2
NO 2-
m.o.
m.o.
O2
NO-3
Nitrificación
NH4+ + 1.5 O2
NO2- + H2O + 2H+
NO2- + 0.5 O2
NO3-
Desnitrificación
8 NO3- + 5 CH3COOH
8HCO3- + 6 H2O + 2 CO2 + 4 N2
Nitrificación-desnitrificación
Sistemas continuos
N2
Agua residual:
DQO
NH4+
O2
NH4+
Desnitrificación
DQO
Nitrificación
Efluente
NO3-
Sistemas discontinuos
Agua residual
DQO
NH4+
Efluente
Vmax
Vo
Vo
Lodo
Lodo
Llenado
Reacción
anóxica
Reacción
aerobia
Sedimentación
Lodo
Vaciado
Nitrificación parcial
2.2 Nitrificación parcial
Aguas industriales con DQO/N < 5
Proceso/Industria
Digestión de lodos
Fertilizantes
N-NH4+
(g/l)
NH+
4
O2
1
0,2-1
Conserveras*
0,8
Purines de cerdo*
2,3
Purines de oveja*
0,5-2,3
Explosivos
1,5
Lixiviados
1-2
*después de tratamiento anaerobio
N
2
NO 2-
m.o.
m.o.
O2
NO-3
Nitrificación parcial
1 mol Nitrato
(NO3-)
40% Materia orgánica
Nitrificantes
Heterótrofas
Nitrificación-Aerobia
Denitrificación-Anóxica
25% O2
1 mol Nitrito
(NO2-)
1 mol Nitrito
(NO2-)
60% Materia orgánica
75% O2
1 mol Amonio
(NH4+)
Nitrificación-desnitrificación
4,6 g
7,5 g
O2/g NH4+-N oxididado
DQO/g NO3--N reducido
½ mol Nitrógeno Gas
(N2)
Nitrificación parcial-desnitrificación
Ventajas;
25% Reducción de la demanda de O2
40% Reducción de la materia orgánica requerida
40% Reducción de la biomasa producida
Nitrificación parcial
O2
NH4+ → NO2- → NO3-
Nitrificación parcial
NH4+
(100)
Nitrificación
parcial
O2
NO2-
Desnitrificación
(100)
(100)
1
N2
2
NH4+ → NO2- → NO3Ecuación cinética de bacterias nitrificantes
O2
S
r = rmax (T )·
·
kO2 + O2 kS + S
N2 ← NO2- ← NO3mo
mo
Nitrificación parcial
Limitación de oxígeno:
NH4
+
r2
→ NO2 → NO3r1
-
O2
O2
Velocidad crec. (d -1)
1
oxidantes
de am onio
0.8
0.6
0.4
oxidantes
de nitrito
0.2
0
0
1
2
O2 [mg/l]
3
4
Nitrificación parcial
Temperatura
NH4
+
r2
→ NO2 → NO3r1
-
Velocidad crec. (d -1)
3
2.5
oxidantes
de am onio
2
1.5
1
oxidantes
de nitrito
0.5
0
10
15
20
25
30
35
40
T [ºC]
SHARON (Single High Ammonia Removal Over Nitrite)
Proceso Anammox
2.3 Proceso Anammox
Anammox (ANaerobic AMMonia OXidation)
NH4+ + 1,32 NO2- + 0,07 HCO3- + 0,13 H+ →
NH+
4
O
1,02 N2 + 0,26 NO3- + 0,07 CH2O0,5N0,15 + 2,03 H2O
2
N
NO2-
2
o.m.
o.m.
O
NO-3
2
Nitrificación parcial
NH4+ + 3/2 O2 → NO2- + H2O + 2H+
NH4+
(100)
Nitrificación
parcial
NO2-/NH4+
(50/50)
Anammox
N2/NO3(90/10)
Proceso Anammox
- tduplicación ≥ 11 días
Requiere sistemas con alta retención de biomasa !!!
Sist. granulares
Sist. biopelículas
oxígeno
- Inhibidores
materia orgánica
antibióticos
Sist. membranas
- Temperatura:
Actividad específica
(g N/(g SSV·d))
Proceso Anammox
0,70
0,60
EA = 70 kJ/mol
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
AAE (g N /(g SSV·d))
0,00
0
10
20
30
Temperatura (ºC)
NO3-
NH4+
NO2-
7
8
9
- pH:
micormol/gproteína/min
20
0
6
-20
-40
-60
pH
40
50
Proceso Anammox
Nitrificación parcial/Anammox
NH4+
(100)
Nitrificación
parcial
NO2-/NH4+
(50/50)
Nitrificación/desnitrificación
CO2
Anammox
3,4 g DQObiomasa
1 mol NO357 g DQO
17 g DQObiomasa
0,5 mol N2 + 20 g DQObiomasa
(90/10)
Nitrificación parcial/anammox
1 mol NH4+
1,9 mol O2
(100%)
N2/NO3-
1 mol NH4+
CO2
0,4 mol O2
(40%)
1,6 g DQObiomasa
0,55 mol NO2-
0,45 mol NH4+
CO2
1,5 g DQObiomasa
0,45 mol N2 + 0,1 mol NO3-+ 3 g DQObiomasa
3 Implantación del proceso Anammox
a escala industrial
Implantación industrial
Reactor de lodos activos
Anóxico
Aerobio
Efluente
Influente
Retorno de lodos
Digestor
de lodos
Decantador
secundario
Espesador de lodos
Sistema de
deshidratación
Lodo
deshidratado
Corriente de agua
Corriente de lodo
300 a 1.700 mg N/L
15-20% de la carga de nitrógeno
1% del flujo
HCO3-/NH4+: 1
temperatura 30 °C
Implantación industrial
Reactor de lodos activos
Anóxico
Aerobio
Efluente
Influente
Retorno de lodos
Decantador
secundario
Reactor Espesador de lodos
SHARON
Reactor
Anammox
Corriente de agua
Corriente de lodo
Lodo
deshidratado
Digestor
de lodos
Sistema de
deshidratación
Implantación industrial
Nitrificación parcial (SHARON)
Reactor Anammox
Planta de tratamiento de aguas urbanas
de Rotterdam (Paises Bajos)
Implantación industrial
Estimación de costes de tratamiento
Lodo
químico
Lodo
biológico
Requerimiento
energético
Coste
(Euro (kg N)-1)
Arrastre con aire
Si
No
Normal
6.0
Arrastre con vapor
Si
No
Alto
8.0
Precipitación
Si
No
Bajo
6.0
Nitrificación/desnitrificación
No
Bajo
Normal
4.5
Nitrif. parcial/desnitrificación
No
Bajo
Normal
1.5
Nitrif. parcial/Anammox
No
Bajo
Normal
1.0
Procesos físico-químicos
Procesos biológicos
Implantación industrial
Plantas Anammox a escala industrial
Proyecto
Waterboard Hollandse
Delta, Países Bajos
(2 unidades)
IWL, Países Bajos
(2 unidades)
Waterstromen,
Países Bajos
(1 unidad)
Mie prefecture, Japón
(2 unidades)
1
Aplicación
Capacidad
de diseño
(kg N/d)
Capacidad
alcanzada
(kg N/d)
Período de
puesta en
marcha
Municipal
(agua de rechazo)
490
750
3,5 años
Curtido
325
1501
1 año
Procesado de
patatas
1200
7001
6 meses
Semiconductores
220
220
2 meses
No se pudo alcanzar la capacidad de diseño por no haber más nitrógeno disponible.
4 Aplicación del proceso Anammox al
tratamiento de purines
Aplicación a purines
Proyecto PIGMAN (Karakashev et al., 2008)
17,0 kg DQO
0,3 kg N
13,0 kg DQO
0,2 kg N
Separación
Digestión
6,5 kg DQO
2,5 kg N
0,5 kg DQO
0,9 kg N
Gas
Gas
Nitrificación
parcial
Anammox
Digestión
anaerobia
Aire
Fibras
Purín
70,0 kg DQO
5,6 kg N
53,0 kg DQO
5,3 kg N
30,0 kg DQO
1,0 kg N
23,0 kg DQO
4,3 kg N
Eficacia:
- Materia orgánica: 96%
- N: 81%
10,0 kg DQO
4,1 kg N
3,5 kg DQO
1,6 kg N
Carga eliminada: 0,1 g N/(L·d)
Temperatura: 35 ºC
3,0 kg DQO
0,7 kg N
Aplicación a purines
Post-tratamiento de digestores anaerobios (Hwang et al., 2005)
Reactor
anammox
Efluente
Biogás
Decantador
Decantador
Sistema
nitrificación parcial
Influente
Lodo
Lodo
Reactor UASB
N-NH4+: 890-1070 mg/L
DQOs: 1030-2900 mg/L
N-NH4+: 194-300 mg/L
N-NO2-: 353-469 mg/L
Carga eliminada: 0,36 g N/(L·d)
Temperatura: 35 ºC
N-NH4+: 78-106 mg/L
N-NO2-: 40-114 mg/L
Aplicación a purines
Tratamiento de la fracción líquida (Figueroa et al., 2010)
Sistema
Nitrif. parcial-Anammox
Sistema aerobio
Efluente
Decantador
Influente
Lodo
Aire
Aire
N-NH4+: 313 ± 30 mg/L
DQOs: 1754 ± 280 mg/L
N-NH4+: 140-350 mg/L
DQOs: 80-550 mg/L
Carga eliminada: 7,5 g DQO/(L·d)
Temperatura: 20 ºC
N-NH4+: 10-180 mg/L
N-NO2- < 10 mg/L
DQOs: 80- 280 mg/L
Carga eliminada: 0,40 g N/(L·d)
Temperatura: 20 ºC
Aplicación a purines
5 Conclusiones
Conclusiones
Los procesos biológicos son el método más económico para la eliminación del
nitrógeno presente en los purines.
El uso del proceso Anammox para eliminación de nitrógeno en purines permitiría un
importante ahorro de costes de operación dado la materia orgánica se podría eliminar
totalmente mediante digestión anaerobia generando biogás mientras que para eliminar
el nitrógeno sería necesario oxidar solo el 50% del amonio a nitrito.
La aplicación del proceso Anammox ha estado limitada por la dificultad de disponer de
la cantidad de biomasa suficiente para poner en marcha los reactores Anammox. Dado
que actualmente hay varias plantas operando a escala industrial, la disponibilidad de
inóculo es mayor lo que facilitará la expansión de esta tecnología.
Revalorización de subproductos del sector agropecuario: oportunidades y desafios
Eliminación del nitrógeno en purines:
¿Qué proceso es el más adecuado?
José Luis Campos Gómez
Departamento de Ingeniería Química
15 de julio de 2010 Concepción