Procesos avanzados de eliminación de nitrógeno: soluciones

Procesos avanzados de eliminación de nitrógeno: soluciones
ANITA™ MOX de AnoxKaldnes
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1
2
G.Manterola , L.Otegi , J. Albizuri y G. Zalakain
1
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AnoxKaldnes AB, Portuetxe 23, 20.018 San Sebastián, España
2
AnoxKaldnes AB, Klosterängsvägen 11A, 226 47 Lund, Suecia
Introducción
El consumo de energía contribuye de manera significativa a los costes operacionales de toda
estación depuradora de aguas residuales (EDAR) por lo que su minimización tendiendo a lo
que se conoce como depuradoras energéticamente autosuficientes resulta prioritaria. Para
ello, además de “consumir menos” hay que “producir más”. En este sentido, resulta clave la
digestión anaerobia de fangos primarios y secundarios, donde la materia orgánica es
parcialmente transformada en biogás y finalmente convertida en energía mediante unidades
de cogeneración (CHP). Sin embargo, estas mejoras en la producción de energía conllevan la
generación de corrientes secundarias con un alto contenido en nitrógeno que
tradicionalmente han sido redirigidas a cabeza de planta y tratadas junto con la corriente
principal. Estas corrientes, que pueden llegar a constituir hasta un 20-30% de la carga de
nitrógeno influente, desestabilizan el funcionamiento de las EDAR debido principalmente a
una disminución de la relación C/N. Esto hace que en muchos casos sea necesario incrementar
los requerimientos de aireación y los volúmenes anóxicos/aerobios, y/o añadir una fuente
externa de C en una etapa de post-desnitrificación. Estas acciones pueden resultar muy
costosas e incluso imposibles si el espacio es limitado (Lemaire et al., 2011).
Con el objetivo de evitar costosas inversiones, en los últimos años se ha popularizado el
tratamiento de corrientes secundarias ricas en nitrógeno mediante las bacterias autótrofas
anaerobias anammox (anaerobic ammonium oxidation) como una solución a largo plazo de la
problemática
expuesta.
En
comparación
con
los
procesos
tradicionales
de
nitrificación/desnitrificación, los procesos de eliminación autótrofa de N tipo anammox
ofrecen claras ventajas: (1) se reduce la demanda de oxígeno en un 60%; (2) no es necesario
añadir una fuente externa de C y, (3) la producción de fangos es significativamente menor.
1
En las dos últimas décadas se han desarrollado diversos procesos para eliminación de N
basados en las bacterias anammox especialmente concebidos para aguas residuales con
elevado contenido en N y baja DQO (p.ej.: lixiviados de vertedero, mataderos, conserveras,
etc.). El rango de temperatura óptimo de crecimiento de las anammox se encuentra entre los
20 y los 35⁰C y, debido a su baja tasa de crecimiento, en la mayoría de los procesos la
eliminación ocurre en biopelícula, con o sin material de relleno, obteniendo así una elevada
edad del fango. Además, el proceso puede ser llevado a cabo en 2 etapas, como es el caso de
los procesos combinados SHARON/Anammox granulares (Abma et al., 2007) o en una única
etapa, también conocidos como procesos de “deamonificación”, tal y como ocurre en el caso
de los Reactores Biológicos Secuenciales granulares o SBR (Wett, 2007; Vlaeminck et al., 2008;
Vazquez-Padin et al., 2009) y en los reactores biopelícula MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor)
(Rosenwinkel y Cornelius, 2005; Cema, 2009).
Independientemente de la tecnología empleada, la eliminación autótrofa de N se basa en las
siguientes dos reacciones biológicas que ocurren de forma simultánea:

Nitritación parcial del amonio llevada a cabo por las bacterias amonioxidantes
(reacción en condiciones aerobias):
NH4+ + 0.77O2 + 0.05 CO2 → 0.42NH4+ + 0.56NO2- + 0.1biomass + 0.5H2O + 1.13H+

Oxidación de amonio llevada a cabo por las bacterias anammox (reacción en
condiciones anóxicas):
0.42NH4+ + 0.56NO2- + 0.03H+ + 0.03CO2 → 0.43N2 + 0.11NO3- + 0.03biomass + 0.8H2O
Así, los principales retos de los procesos anammox pueden resumirse en:

Necesidad de temperatura elevada (20-35⁰C)

Baja tasa de crecimiento de las bacterias anammox lo que conlleva largos periodos de
puesta en marcha (aprox. 18 meses).

Necesidad de un preciso control de la aireación que favorezca la formación de NO2
evitando la formación de NO3.
En este artículo se presenta un nuevo proceso de deamonificación denominado ANITA™ MOX
desarrollado a partir de la consolidada tecnología MBBR de AnoxKaldnes, perteneciente al
grupo Veolia Water Technologies. La tecnología MBBR se basa en el empleo de un soporte
plástico móvil sobre el que crece la biomasa en forma de biopelícula. Este soporte, en continua
agitación, es mantenido dentro del reactor mediante el empleo de colectores de chapa
2
perforada. Como ejemplos de la aplicación de la tecnología ANITA™ MOX a escala real se
presentan los resultados de dos referencias a escala real: EDAR de Sjölunda y EDAR de Sundet,
ambas en Suecia.
Figura 1 Representación esquemática de una típica EDAR con la inclusión del proceso ANITA™ MOX para
el tratamiento de las corrientes secundarias del tratamiento de lodos previa su recirculación a cabeza de
planta.
La tecnología ANITA™ MOX - MBBR
ANITA™ MOX es un proceso de deamonificación en una única etapa basado en la tecnología
MBBR
de AnoxKaldnes. Así, en una misma biopelícula se dan de forma simultánea la
nitritación parcial por parte de las bacterias amonioxidantes (AOB) y la eliminación autótrofa
de N por las bacterias anammox. La existencia de una zona aerobia y otra anóxica se consigue
gracias a una limitación en la transferencia másica del oxígeno a través de la biopelícula
derivada de la operación del reactor a concentraciones bajas de oxígeno disuelto. Los procesos
biológicos que tienen lugar en la biopelícula desarrollada sobre el soporte plástico pueden
verse de forma esquemática en la Figura 2. Las bacterias AOB oxidan el NH4 a NO2 en la zona
aerobia de la biopelícula (parte externa) mientras que las bacterias anammox ubicadas en la
parte anóxica de la biopelícula (parte interna) consumen el NO2 producido por las bacterias
AOB junto con el exceso de NH4.
3
NH4+
Líquido
N2
Nitritación
AOB
NO2-
Anammox
Biopelícula
Soporte
O2
Zona
aerobia
Zona
anóxica
Figura 2 Representación esquemática de la configuración del reactor ANITA™ MOX-MBBR (izq.) y del
proceso biológico nitritación/anammox en una única etapa (dcha.) que tiene lugar en la biopelícula
generada sobre los soportes plásticos.
La aplicación generalizada de los procesos tipo anammox se ha visto limitada debido en gran
parte a la baja tasa de crecimiento de las bacterias anammox y a su sensibilidad frente a
elevadas concentraciones de oxígeno disuelto, nitritos, ácido nitroso libre y amoníaco libre. En
este sentido, en las nuevas instalaciones ANITA™ MOX una pequeña parte del soporte plástico
necesario ha sido previamente sembrado con bacterias anammox, lo que permite reducir los
tiempos de puesta en marcha desde los 18 meses a periodos por debajo de los 6 meses. El
abastecimiento de los soportes plásticos colonizados se consigue mediante el concepto
conocido como “BioFarm” (Figura 3). Actualmente la instalación ANITA™ MOX a escala real
ubicada en la EDAR de Sjölunda, en la localidad sueca de Malmö, es utilizada para abastecer de
soporte con biopelícula madura de anammox las nuevas instalaciones. En un futuro se prevé
que algunos de los reactores actualmente a pleno rendimiento funcionen también como
BioFarm e incrementar a nivel mundial la capacidad de abastecimiento de relleno colonizado.
4
Figura 3 Implantación en 3D del “Biofarm” situado en la EDAR de Sjölunda, en la localidad sueca de
Malmö (izq.) y vista parcial del mismo (dcha.).
Otra de las ventajas de la tecnología ANITA™ MOX radica en el patentado control en tiempo
real del sistema de aireación que evita la oxidación de los NO2 producidos a NO3 en la zona
aerobia de la biopelícula, al mismo tiempo que ajusta la cantidad disponible de nitrito para las
bacterias anammox. Un lazo de control calcula continuamente la cantidad producida de N-NO3
por N-NH4 eliminado basándose en las señales enviadas por sensores online ubicados a la
entrada y salida del reactor. Valores de este ratio mayores del 11%, producción
estequiométrica de NO3 por parte de las anammox, indican un exceso de oxígeno que favorece
a las bacterias oxidantes de nitrito por lo que debería reducirse el valor del oxígeno disuelto.
Valores del ratio menores del 11%, por el contrario, exigirían un incremento del valor consigna
del oxígeno disuelto en el reactor.
El empleo en el proceso ANITA™ MOX de soporte plástico con elevada superficie específica
protegida resulta también clave para el éxito del proceso ya que permite retener en el reactor
grandes cantidades de biomasa, aspecto crucial debido a la ya mencionada baja tasa de
crecimiento de las bacterias anammox. Además, por tratarse de un proceso biopelícula, es un
proceso estable y robusto capaz de hacer frente a variaciones de carga y sólidos suspendidos
sin perder la capacidad de eliminación de nitrógeno. Actualmente el proceso ANITA™ MOX
utiliza los soportes K3, BiofilmChipTMM y K5 (Figura 4).
5
2
3
Figura 4 Soportes plásticos K3 (500 m /m ), BiofilmChip
TM
2
3
2
3
M (1200 m /m ) y K5 (800 m /m ) empleados
en el proceso ANITA™ MOX.
Referencias y resultados
Tras realizar numerosos estudios piloto con distintos tipos de agua, porcentajes de relleno,
tipos de soporte, etc. AnoxKaldnes cuenta actualmente en el mercado numerosas referencias
ANITA™ MOX a escala real en Europa y Estados Unidos, englobando tanto el sector municipal
como el industrial de aguas residuales.
EDAR de Sjölunda
El primer reactor ANITA™ MOX fue puesto en marcha en el año 2010 en la EDAR municipal de
Sjölunda (Suecia). Con una capacidad para 550.000 h-e, el tratamiento biológico de esta EDAR
tiene una capacidad hidráulica máxima de 4,4 m3/s. Para el tratamiento de los fangos
generados en la planta cuenta con 6 digestores anaerobios mesófilos (35ºC) y el fango digerido
es posteriormente deshidratado en 3 centrífugas. Aproximadamente el 60% del caudal de las
aguas de rechazo es tratado en un SBR operado exclusivamente en modo nitritación, mientras
que el 40% restante es tratado en cuatro reactores ANITA™ MOX-MBBR completamente
cubiertos y aislados de 50 m3 cada uno (Christensson, et al., 2013). Además de servir como
BioFarm, estos reactores han sido también utilizados para probar diferentes estrategias
operacionales, tipos de relleno, etc. La concentración de amonio media de entrada a este
reactor es de unos 900 mg N-NH4/l con una DQO soluble de 288 mg/l (Tabla 1).
6
Característica
ANITA™ Mox Sjölunda
ANITA™ Mox Sundet
Tipo de agua
Corriente secundaria procedente
Corriente secundaria procedente de DA
de
(fango primario + secundario + futuro
DA
(fango
primario
+
secundario) en EDAR municipal
residuo alimentario) en EDAR municipal
NH4 (mg N/l)
906
851
DQOs (mg/l)
288
--
DBO7 (mg/l)
185
--
SST (mg/l)
859
513
Tabla 1 Características de las corrientes secundarias de la EDAR de Sjölunda y la EDAR de Sundet
(adaptado de Lemaire et al., 2014).
Los 4 reactores ANITA™ MOX (MBBR1, MBBR2, MBBR3 y MBBR4) fueron puestos en marcha
progresivamente entre agosto de 2010 y diciembre de 2011. En el MBBR1, la concentración de
amonio en el efluente se ha mantenido siempre por debajo de los 100-150 mg N-NH4/l y el
ratio de N-NH4 eliminado/N-NO3 producido en el rango de 8-15% (Christensson et al., 2013).
Estos valores son cercanos al 11% que se obtendría por estequiometría. Valores inferiores al
11% indican la reducción de nitrato por parte de las heterótrofas desnitrificantes mientras que
los valores superiores están asociados a la oxidación del nitrito a nitrato por parte de las NOB.
Los valores de nitrito en el efluente siempre en niveles muy bajos, por debajo de los 5 mg NNO2/l, indican que la actividad de las anammox está limitada por el aporte de NO2 de las AOB.
El MBBR 1, para cuya puesta en marcha se utilizó una pequeña parte de soporte plástico
sembrado, alcanzó tras solo 4 meses de operación el reactor una capacidad de eliminación de
1,2 kg N-NH4/m3·d y una eficiencia de eliminación de amonio del 90%. Estos resultados han
sido alcanzados sin necesidad de agitación mecánica en el reactor (la aireación continua
resulta suficiente para la agitación del soporte plástico) ni ningún tipo de sistema de
calentamiento.
En calidad de BioFarm, el MBBR4 abasteció de soporte colonizado al reactor ANITA™ MOX de
la EDAR de Sundet, por lo que tuvo que ser arrancado por segunda vez. Durante los primeros
días tras la nueva puesta en marcha la capacidad de eliminación del reactor fue relativamente
baja, alcanzándose valores de N-NH4 en el efluente de hasta 300-400 mg/l (Figura 5, a). Sin
embargo, la capacidad de eliminación de amonio de 1 kg N-NH4/m3·d fue recuperada tan solo
70 días después de volver a poner en marcha el reactor con una eficiencia de eliminación del
90% (Figura 5, b).
7
La operación a largo plazo del reactor ANITA™ MOX de la EDAR de Sjölunda ha demostrado
que se trata de un proceso robusto y estable capaz de hacer frente a variaciones de carga en el
agua influente, variaciones en los sólidos suspendidos, fallos eléctricos, problemas con las
bombas, etc. manteniendo unas elevadas eficiencias de eliminación de nitrógeno. Al tratarse
de un proceso biopelícula, las pérdidas de biomasa por lavado son además minimizadas.
Figura 5 Resultados operacionales del reactor ANITA™ MOX Sjölunda: segunda puesta en marcha del
reactor MBBR 4. N-NH4 a la entrada y N-NH4, N-NO3 y N-NO2 a la salida (a); Carga de N-NH4, carga de NNH4 eliminada y eficiencia de eliminación (b).
EDAR de Sundet
Ubicada en Växjö (Suecia), la EDAR municipal de Sundet fue diseñada para una capacidad de
80.000 h-e y su tratamiento biológico tiene una capacidad hidráulica máxima de 0,8 m/s.
Dispone de dos digestores anaerobios mesófilos donde actualmente se digieren el fango
primario y secundario. Sin embargo, en un futuro próximo se prevé la co-digestión,
8
higienización y una segunda digestión de residuos alimentarios. El reactor ANITA™ MOX, un
SBR de 300 m3 reconvertido, fue diseñado para tratar toda la corriente secundaria generada
en la deshidratación (Tabla 2). Sin embargo, el caudal medio tratado actualmente es menor, de
160 m3/d. Con una concentración media de amonio en el influente de 851 mg N-NH4/l (Tabla
1) este reactor lleva en funcionamiento desde finales de 2011.
™
Parámetro
™
ANITA Mox Sjölunda
ANITA Mox Sundet
220
330
V reactor (m )
4 x 50
300 (SBR reconvertido)
Carga de diseño (kg N/d)
200
320
Temperatura (⁰C)
22-34 (sin control)
26-34 (sin control)
Tipo de relleno
BiofilmChip
Año puesta en marcha
2010
3
Q (m /d)
3
TM
M, K3 y K5
K5
2011
Tabla 2 Parámetros de diseño y operación de los reactores ANITA™ MOX-MBBR a escala real (adaptado
de Lemaire et al, 2014).
La puesta en marcha del proceso comenzó en Diciembre de 2011, la época más fría del año,
por lo que durante los primeros meses de operación fue necesario calentar el agua de modo
discontinuo hasta alcanzar los 28⁰C en el reactor. Para fomentar el crecimiento de las bacterias
anammox en el soporte plástico virgen el caudal de entrada fue incrementándose
gradualmente. Sólo dos meses después de la puesta en marcha el reactor era capaz de tratar la
totalidad del caudal de diseño.
Los resultados de operación del reactor ANITA™ MOX desde su puesta en marcha pueden
verse en la Figura 6. La concentración de NH4 influente ha variado entre 700-1.100 mg N-NH4/l
mientras que el nivel de NH4 en el efluente se ha mantenido siempre por debajo de los 200
mg/l correspondiente a una eliminación media del N-NH4 del 88%. La concentración de
nitratos a la salida se ha mantenido por debajo de los 100 mg N-NO3/l lo que corresponde a un
ratio de NO3 producido/NH4 eliminado del orden del 8-10%. Este valor, ligeramente inferior al
11% determinado por estequiometría, indica la posible desnitrificación por medio de bacterias
heterótrofas desnitrificantes de parte de los nitratos producidos por las anammox. En cuanto a
los nitritos, su concentración media ha sido de 2,6 mg N-NO2, con concentraciones nunca
superiores a los 10 mg N-NO2/l.
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Desde su puesta en marcha, la carga de N-NH4 a la entrada y la carga de N-NH4 eliminada
fueron incrementándose hasta alcanzar los 0,55 kg N/m3·d y 0,5 kg N/m3·d, respectivamente
(Figura 6, b). La carga de amonio aplicada en Sundet ha estado hasta la fecha limitada por la
disponibilidad de la corriente secundaria (200 kg N/d) y no por el proceso en sí mismo, que fue
diseñado para una carga esperada por el operador de 320 kg N/d.
Figura 6 Resultados operacionales del reactor ANITA™ MOX Sundet desde su puesta en marcha: N-NH4 a
la entrada y N-NH4, N-NO3 y N-NO2 a la salida (a); Carga de N-NH4, carga de N-NH4 eliminada y eficiencia
de eliminación (b).
Nueva configuración IFAS ANITA™ MOX
Por tratarse de un proceso biopelícula, la actividad biológica en el ANITA™ MOX-MBBR se ve
influenciada por el transporte de sustratos y oxígeno a través de la biopelícula. Factores como
la morfología, densidad y grosor de la biopelícula, la temperatura o la concentración de los
sustratos afectan a esta difusión (Lacroix et al., 2013). Diversos estudios han demostrado que
10
una diferenciación espacial clara de las poblaciones bacterianas en biomasa en flóculos
(heterótrofas) y biomasa en biopelícula (nitrificantes), conlleva mayores tasas de eliminación
de materia orgánica y nitrógeno (Paul et al., 2007).
AnoxKaldnes ha desarrollado recientemente una nueva configuración del proceso ANITA™
MOX denominado IFAS ANITA™ MOX en el que la nitritación parcial del nitrógeno amoniacal
ocurre principalmente en los flóculos en suspensión, quedando la biopelícula reservada para
las bacterias anammox. Las bacterias AOB oxidan el NH4 a NO2 en la fase líquida del reactor
mientras que las bacterias anammox, ubicadas en la biopelícula, consumen el NO2 producido
por las bacterias AOB junto con el exceso de NH4 (Figura 7). Esta nueva configuración, que lleva
incorporado un sedimentador para la separación de los sólidos en suspensión y una
recirculación para mantener los flóculos dentro del sistema, permite operar el proceso a
menores valores de oxígeno disuelto que en la configuración MBBR con el consiguiente ahorro
energético.
Los estudios a escala piloto llevados a cabo han permitido determinar unas tasas de
eliminación de nitrógeno mayores que las alcanzadas en los ANITA™ MOX-MBBR sobre una
misma agua residual (Zhao et al., 2013). A la vista de los resultados obtenidos, uno de los
ANITA™ MOX-MBBR de la EDAR de Sjölunda ha sido reconvertido a la configuración IFAS. Los
resultados preliminares confirman las altas tasas de eliminación de nitrógeno observadas a
escala piloto, lo que permite reducir considerablemente el volumen del reactor, manteniendo
las mismas altas eficiencias de eliminación de la configuración MBBR.
Flóculos
Líquido
Nitritación
AOB
NH4+
NO2-
N2
O2
Anammox
Zona
anóxica
Biopelícula
Soporte
Figura 7 Representación esquemática de la configuración del reactor IFAS ANITA™ MOX (izq.) y del
proceso biológico nitritación/anammox en una única etapa que tiene lugar en los flóculos y en la
biopelícula generada sobre los soportes plásticos.
11
Cada una de estas dos tecnologías desarrolladas tiene su campo de aplicación y, por lo tanto,
la selección del proceso óptimo depende directamente de las condiciones particulares de cada
caso. Así, la nueva configuración IFAS ANITA™ MOX presenta la ventaja de reducir el volumen
del reactor biológico y la reducción en el consumo energético ligado al sistema de aireación. El
proceso ANITA™ MOX-MBBR por su parte, al no necesitar una etapa de sedimentación y
recirculación, resulta un sistema más simple desde un punto de vista operativo. Además, al
localizarse toda la biomasa activa en forma de biopelícula en el soporte plástico, el proceso
biológico es mucho más robusto frente a las variaciones de las características del agua
influente.
Conclusiones

El proceso ANITA™ MOX-MBBR ha demostrado ser un proceso de deamonificación en
una única etapa estable, robusto y fácil de operar, tal y como lo avalan los resultados
operacionales de nuestras referencias en el mercado.

La eficiencia del sistema de control de oxígeno desarrollado ha resultado eficiente para
mantener el ratio N-NO3 producido/N-NH4 consumido en torno al 11% mediante una
aireación continua.

La estrategia de sembrado denominada BioFarm permite reducir considerablemente
los periodos de puesta en marcha.

La configuración MBBR permite alcanzar capacidades de eliminación de entre 0,8-1 kg
N-NH4/m3·d con eficiencias de eliminación del 90%.

La configuración IFAS, recientemente desarrollada, amplía la oferta tecnológica de
reactores de deamonificación en una única etapa y permite alcanzar mayores
capacidades de eliminación y reducir los volúmenes de los reactores.
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