Tema n Página 1 ELIMINACIÓN DE FÓSFORO EN LOS PROCESOS DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES 1.- INTRODUCCIÓN 2.- PRECIPITACIÓN QUÍMICA PARA LA ELIMINACIÓN DE FÓSFORO 2.1.- Líneas de proceso típicas 2.2.- Química de la eliminación de fosfatos 2.3.- Efectos sobre el tratamiento de los fangos 3.- DESFOSFATACIÓN POR VÍA BIOLÓGICA. 3.1.- Bases de los procesos de desfosfatación por vía biológica 3.2.- Configuraciones básicas en los procesos de eliminación de fósforo 3.3.- Factores que limitan el rendimiento de los sistemas biológicos de eliminación de fósforo 3.4.- Tratamiento de los fangos 3.5.- Criterios de dimensionamiento 4.- CONCLUSIONES GENERALES 5.- NIVELES DE TRATAMIENTO ALCANZABLES CON DIFERENTES COMBINACIONES DE PROCESOS EN TRATAMIENTO AVANZADO DE AGUAS RESIDUALES 1.- INTRODUCCIÓN Fuentes de aportación de fósforo: • Fuentes difusas (difícil control, aporte variable según zonas y países): • Agricultura y fuentes naturales • Granjas - ganadería Fuentes puntuales (control en origen más factible) • Aguas residuales municipales (domésticas+industriales) • Vertidos industriales El origen, forma y concentración de los compuestos de fósforo presentes en el agua residual son los siguientes; Origen: residuos humanos, detergentes, vertidos industriales Formas: • Fósforo orgánico: insoluble, transformable a fosfato soluble por fermentación ó hidrólisis) Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 2 • Fosfato (orto): soluble, forma estable en soluciones acuosas diluidas como el agua residual. • Polifosfatos: orgánicos ó inorgánicos, solubles o no, hidrolizables total o parcialmente a ortofosfatos. A efectos prácticos el Fósforo soluble del agua residual está en forma de ion ortofosfato, PO43-. Concentración (órdenes de magnitud) • Fósforo total (100%): 8 - 15 mg/L • Fósforo orgánico (30%): 3 - 5 mg/L • Fosfatos (70%): 5 - 10 mg/L Relación porcentual Fósforo/DBO5: 3 - 6 % Fracción decantable: 3 - 6 % Fracción coloidal y supracoloidal: 3 - 5% Fracción soluble: 50% a 70% Como ya se ha comentado anteriormente, parte del fósforo del agua residual es insoluble y queda retenido en los procesos de decantación, pasando a formar parte del fango. El resto del fósforo, soluble, después del tratamiento biológico se encuentra en forma de ortofosfatos. Durante este tratamiento parte del mismo se incorpora a la fracción proteica de las células de fango activado pasando a formar parte del fango biológico en una proporción del 1% al 2% de dicho fango. Esta incorporación reduce la concentración del fósforo en el agua entre el 15% y el 20%, que sumado a la reducción habida en la decantación primaria produce un valor del 25 al 30%. La presencia de vertidos industriales con sales trivalentes o de iones de Ca y Mg pueden incrementar esas cifras por precipitación de fosfatos. La concentración de fósforo en el agua después de un tratamiento convencional oscila entre 6 y 11 mg/L de P, para conseguir valores inferiores es necesario recurrir a tratamientos complementarios de eliminación, pudiendo ser estos de tipo físico-químico o bien de carácter biológico. 2.- PRECIPITACIÓN QUÍMICA PARA LA ELIMINACIÓN DE FOSFATOS La eliminación del fósforo contenido en el agua residual comprende la incorporación de fosfatos a los sólidos en suspensión y la posterior eliminación de éstos. El fósforo se puede incorporar, tanto a los sólidos biológicos como a los precipitados químicos. Aquí trataremos este último caso. Tradicionalmente en Europa se han utilizado procesos físico-químicos mediante la adición de sales de hierro o de aluminio, y en menor medida de calcio. Con la utilización de estas sales se obtienen formaciones de precipitados mixtos de Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 3 hidróxidos y fosfatos que decantan rápidamente. Al principio el precipitado tiende a contener un exceso de hidróxido con respecto al precipitado que se forma con más tiempo. El hidróxido presente en el complejo tiende, por tanto, a reaccionar posteriormente con los fosfatos solubles y a enriquecer el precipitado de fosfatos de hierro. Puede ser conveniente, por tanto, recircular los sólidos precipitados en cuanto son todavía parcialmente reactivos y además dotados de notables capacidades floculantes. Los productos químicos que se han utilizado para eliminar el fósforo incluyen las sales metálicas y la cal. Las sales metálicas más comunes son el cloruro de hierro y el sulfato de aluminio. También se utilizan el sulfato de hierro y el cloruro ferroso, que se pueden obtener como subproductos en la fabricación de aceros (aguas de decapado). El uso de polímeros combinados con sales de hierro y aluminio también ha proporcionado resultados satisfactorios. La cal no se emplea con demasiada frecuencia, puesto que causa un notable aumento en la cantidad de fango producido, así como otros problemas de explotación y de mantenimiento relacionados con su manejo, almacenamiento y dosificación. 2.1.- Líneas de proceso típicas Dentro de un diagrama de flujo de procesos, (véase la Figura) la precipitación del fósforo puede producirse en varios puntos diferentes de la línea de agua: (1) preprecipitación; (2) coprecipitación y (3) postprecipitación. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 4 Diagramas de flujo para la eliminación de fósforo por vía química Pre-precipitación: Este nombre se aplica a la adición de productos químicos al agua residual bruta para la precipitación del fósforo en las instalaciones de decantación primaria. El fósforo precipitado se elimina con el fango primario. Se utilizan dosis de reactivos muy superiores al resto de modalidades. Coprecipitación. Se define como coprecipitación a la adición de productos químicos para la formación de precipitados que se eliminarán junto con los fangos biológicos. Los reactivos se pueden añadir (1) al efluente de la decantación primaria, (2) al licor mezcla de los fangos activos, o (3) al efluente de un proceso biológico antes de la decantación secundaria. Es el sistema más utilizado. Requiere bajas inversiones. Permite utilizar Fe(II). Poca influencia negativa en el tratamiento del fango. Se pueden conseguir efluentes con 1 mg/L de P total. Postprecipitación. La postprecipitación es la adición de reactivos al efluente del decantador secundario y la posterior eliminación de los precipitados, que suele hacerse mediante filtración del efluente o en instalaciones de decantación complementarias. A menudo precisa de la adición de un coadyuvante. Inversiones mayores. El fango producido, fundamentalmente inorgánico, precisa de un tratamiento independiente. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 5 Si al efluente de un sistema de coprecipitación se le somete a una filtración, previa adición de una pequeña dosis de reactivo y de coadyuvante, se pueden obtener efluentes finales con P total entre 0 y 0.5 mg/L. La dosis de reactivo es menor que si se utiliza postprecipitación y filtración. La cantidad de fango producida es menor y el sistema tiene una gran estabilidad. 2.2.- Química de la eliminación de fosfatos La precipitación química del fósforo se consigue mediante la adición de sales de iones metálicos de valencia múltiple que forman precipitados de fosfatos poco solubles. Las sales más comunes son las de calcio, aluminio y hierro. La precipitación con calcio es muy diferente con respecto del proceso empleando hierro o aluminio: Precipitación de fosfato con sal de calcio: 10 Ca +2 + 6 PO4−3 + 2 OH − ⇔ Ca10 ( PO4 ) 6 (OH ) 2 Hidroxilapatita El calcio se suele añadir en forma de cal, Ca(OH)2. Cuando se añade cal al agua reacciona con la alcalinidad natural para precipitar CaCO3. Sin embargo, cuando el pH del agua residual alcanza valores por encima de 10, un exceso de iones calcio reaccionará con el fosfato, tal como se muestra en la Ec. 11, precipitando hidroxilapatita. Debido a que la cal reacciona con la alcalinidad del agua residual, la cantidad de cal necesaria será dependiente de la cantidad de fósforo y alcalinidad presentes en el agua residual. En el caso de las urbanas, que contienen poco fosfatos, la dosis de cal será función, fundamentalmente, de la alcalinidad del agua. La cantidad de cal necesaria para la precipitación del fósforo en el agua residual suele ser de 1,4 a 1,5 veces la alcalinidad total expresada como CaCO3. En la Tabla siguiente, se incluyen los valores óptimos de pH de la reacción y los consumos previstos para una concentración final de 1 ppm de fosfatos: Tabla de pH óptimos y consumo de sales Precipitante Al+3 Fe+2 Fe+3 Ca+2 pH 4-6 4,5 - 5 7-8 10 - 11 Moles consumidos 1,6 - 2,6 1,8 - 2,6 1,8 - 2,2 ---- La coprecipitación no suele ser posible debido a los valores altos del pH que precisa como acabamos de ver. Cuando se añade cal al agua residual bruta o al efluente de un tratamiento secundario, suele ser necesario realizar un reajuste Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 6 del pH antes de proceder a la evacuación o al tratamiento posterior del agua. Para reducir el valor del pH se suele recarbonatar el agua con CO2. Las reacciones básicas que intervienen en el proceso de precipitación del fósforo con hierro y aluminio son las siguientes: Precipitación de fosfatos con aluminio: Al +3 + Hn PO43− n ⇔ AlPO4 + nH + Precipitación de fosfatos con hierro: Fe +3 + Hn PO43− n ⇔ FePO4 + nH + En el caso del aluminio y del hierro, 1 mol precipitará 1 mol de fosfato. Sin embargo, estas ecuaciones simples resultan engañosas y deberán ser consideradas teniendo en cuenta multitud de reacciones secundarias que se producen y las constantes de equilibrio asociadas a estas reacciones, los efectos de la alcalinidad, pH, elementos en estado traza y ligantes presentes en el agua residual. En consecuencia, no se deben emplear las ecuaciones anteriores para estimar directamente las dosis necesarias, sino que deben realizarse ensayos a escala de laboratorio y, ocasionalmente, si se usan polímeros, a escala real. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 7 2.3.- Efectos sobre el tratamiento de los fangos Los efectos del uso de los sistemas anteriores sobre el tratamiento de los fangos se resumen a continuación: • Espesamiento: según el tipo de floculante pueden surgir problemas, especialmente si se utiliza Fe. En todo caso, no parecen ser importantes. • Deshidratación: se suele necesitar mayor dosis de floculante y se reduce el rendimiento del filtrado. • Estabilización aerobia: notable reducción de la tasa de eliminación de materia volátil; no es un procedimiento adecuado. 3.- DESFOSFATACIÓN POR VÍA BIOLÓGICA 3.1.- Bases de los procesos de desfosfatación por vía biológica La eliminación de fósforo se produce por incorporación al fango biológico de los procesos de biomasa suspendida por dos mecanismos: • Sedimentación de formas decantables, fundamentalmente Fósforo orgánico insoluble, que se elimina formando parte del fango primario. • Incorporación de fosfatos solubles a la fracción proteica de las células del fango activado (metabolismo celular), formando parte del fango biológico en proporción del 1% - 2% de la materia seca del fango. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 8 En la actualidad se están empezando a desarrollar procesos biológicos de eliminación de fósforo, la mayoría de ellos basados en las experiencias americanas y sudafricanas, en donde llevan bastante tiempo utilizándose. La reducción biológica del fósforo en el agua residual se basa en la exposición alternativa de los microorganismos presentes a condiciones aerobias y estrictamente anaerobias. Normalmente la proporción de bacterias acumuladoras de polifosfatos en el fango activo es escasa, pero mediante el procedimiento citado se consigue que esas aumenten. La desfosfatación biológica parte del hecho de que, bajo ciertas condiciones, se pueden desarrollar bacterias que son capaces de absorber fosfatos del agua en cantidad superior a la necesaria para el funcionamiento del metabolismo. Estas bacterias, entre otras del género Acinetobacter, son capaces de acumular más fosfatos de los necesarios para su subsistencia, reduciendo así la concentración de esta sustancia en el agua. Requieren ácidos volátiles para su crecimiento, lo que implica un estado anaerobio, pero precisamente en este estado, el fósforo acumulado es retornado al agua. Bajo condiciones anaerobias algunos microorganismos pueden fermentar la materia orgánica fácilmente biodegradable transformándola en otros compuestos Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 9 orgánicos simples (ácidos volátiles grasos como acetatos o propionatos). Estos microorganismos fermentadores son facultativos ya que pueden utilizar bien oxígeno(disuelto o nitratos) o la fermentación para producir la energía necesaria para su existencia. La energía que utilizan es la suministrada por polifosfatos PO43- almacenado en el protoplasma celular. Dado el poco tiempo que la biomasa pasa en la zona anaerobia no se llegan desarrollar bacterias anaerobias estrictas y no se produce metano. Por otra parte hay unas bacterias desfosfatantes que utilizan los ácidos volátiles grasos producidos por los organismos fermentadores gracias a la energía suministrada por los polifosfatos existentes en el interior de las mismas y su degradación produce la liberación de fosfatos en la solución. Los polifosfatos sirven como fuente de energía para la supervivencia en un medio anaerobio. Por lo tanto, la misión del reactor anaerobio es el estimular la conversión de la DBO fácilmente biodegradable en ácidos grasos volátiles y permitir el desarrollo de las bacterias desfosfatantes. La exposición posterior a condiciones aerobias produce la mineralización de la materia orgánica recuperando las células su reserva de fósforo por reabsorción del fósforo intersticial. Esta asimilación de fósforo es considerablemente mayor que la liberación efectuada en la zona anaerobia. El contenido en fósforo de los fangos en exceso puede aumentar del 1.5% al 2% de materia seca, que es su proporción normal, hasta un máximo de un 7-8% en condiciones de laboratorio, no obstante experiencias en instalaciones reales obtienen porcentajes entre el 5 y el 6%. De forma resumida sucede lo siguiente: Fase anaerobia: La célula utiliza su energía acumulada para metabolizar los ácidos volátiles, llenando así sus stock de sustrato carbonoso y vaciando su stock de polifosfatos en forma de fosfatos al agua. Fase aerobia: La célula asimila los fosfatos presentes en el agua. Los fosfatos inorgánicos son convertidos en polifosfatos de alto contenido energético que se acumulan en la célula. Para realizarlo metaboliza las materias carbonosas acumuladas, retornando al agua CO2 y H2O. La célula vacía su stock de sustratos carbonosos, llena el stock de polifosfatos y además se multiplica. A este efecto de acumular más fósforo del que se necesita para la subsistencia se le denomina “Luxury uptake” y es la base del tratamiento moderno para la eliminación del fósforo de las aguas residuales. Por su acumulación de reservas orgánicas las bacterias acumuladoras de fósforo tienen ventajas de crecimiento frente a otras aerobias del fango activo, que no están activas en el reactor anaerobio. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 10 Hasta la fecha, la eliminación en exceso de fósforo solo ha sido observada en fangos activos. En plantas con un buen funcionamiento se pueden conseguir eliminaciones biológicas de fósforo del orden del 70% al 90%; los valores en el efluente pueden oscilar entre 1 y 3 mg/L. La redisolución de fosfatos puede intensificarse por adición de sustratos fácilmente biodegradables en la zona aeróbica. En la práctica existen diversos esquemas que permiten la desfosfatación biológica (Bardenpho, UCT, Phoredox, etc.) teniendo todos en común la zona anaerobia de cabeza. Para un correcto funcionamiento se debe cumplir que la relación DBO5soluble/P soluble de entrada a la aireación sea mayor de 15 mg/L, aumentando la reducción de fósforo a medida que aumente este valor. En aguas residuales normales donde la relación P/DBO5 es del orden del 5-7%, el fósforo no es factor limitante del proceso y su asimilación puede ser máxima. En épocas lluviosas esta relación puede bajar mucho y no se alcanzan los rendimientos deseados. La eliminación de fósforo aumenta con el contenido de materia orgánica fácilmente biodegradable. La presencia de O2 y NO3- en el reactor anaerobio decrece la eliminación de fósforo (por oxidación de la MOFB). Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 11 Cuando es necesario nitrificar el efluente es imprescindible proceder, asimismo, a la desnitrificación con objeto de eliminar la inhibición de la eliminación de P en el reactor anaerobio causada por los nitratos. En este caso la relación NTK/DQO debe mantenerse entre 0.08 y 0.1. La presencia de cationes en el agua puede contribuir a la eliminación de fósforo por precipitación. Las combinaciones de procesos y las calidades de efluentes esperables, en términos de concentración de fósforo, son las indicadas en la tabla siguiente: PROCESOS DE TRATAMIENTO Químico (precipitación directa) Biológico convencional + Químico Biológico específico (Luxury Uptake) Químico + Filtración Biológico + Químico + Filtración CALIDAD EFLUENTE (P total mg/L) 0.8 - 1.5 0.7 - 1.2 1.0 - 3.0 0 - 0.3 0 - 0.3 El contenido del fósforo total en el efluente está intimamente ligado a la eficacia del sistema de separación de sólidos (clarificador o decantador final). El contenido de fósforo en los sólidos expresado en % de materia seca es del orden de 5 al 10% para procesos biológicos + químicos y del 5 al 7% en los procesos biológicos específicos. De acuerdo con ello, las concentraciones esperables de fósforo en los efluentes tratados serán las siguientes: • Clarificación excelente; efluente SS=10 mg/L; P total: 0.5 a 1.0 mg/L • Clarificación buena; efluente SS=20 mg/L; P total: 1.0 a 2.0 mg/L Para aumentar la eficiencia y garantizar la estabilidad permanente de la calidad del efluente es necesario recurrir a la filtración. El contenido de SS en un efluente filtrado varía entre 0 y 5 mg/L, por lo que el contenido de fósforo oscila entre 0 y 0.5 mg/L. 3.2.- Configuraciones básicas en los procesos de eliminación de fósforo Si se analizan las necesidades y condiciones que deben darse para cada tipo de proceso de eliminación, vemos que en ambos casos es necesaria una alternancia de condiciones anaerobias, anóxicas, aerobias, y que las condiciones que se precisan para el proceso de eliminación de uno de los nutrientes no impiden el del otro. Resulta ilustrativo ver que sucede en cada fase con cada bacteria y cada nutriente. Fase anaerobia: Interviene el Acinetobacter, que toma los ácidos grasos de cadena corta presentes en el agua y los acumula en forma de reservas Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 12 carbonosas, utilizando para ello la energía que había acumulado. Libera fósforo en forma de fosfatos inorgánicos. El nitrógeno pasa a forma amoniacal siempre y cuando el tiempo de estancia sea suficiente. Fase anóxica: Intervienen las bacterias heterótrofas facultativas que oxidan materia carbonosa fácil y rápidamente oxidable utilizando el óxigeno de los nitratos presentes, liberando nitrógeno elemental. Fase aerobia: Interviene las Acinetobácter, que toma del agua los fosfatos inorgánicos y los bioacumula (Luxury uptake), consume reservas carbonosas y se multiplica. En este momento la concentración de fósforo en el agua es mínima. Las Nitrosomonas y los Nitrobacter intervienen oxidando el nitrógeno amoniacal a nitratos. Se debe prestar especial atención al diseño del decantador secundario, ya que si el fango entra en anaerobiosis se empezarán a liberar fosfatos. El tiempo de estancia en el decantador de los fangos debe ser mínimo. Debe hacerse una gestión adecuada de los fangos. En el proceso descrito se aprecia que lo que realmente se hace es acumular fósforo en el fango. El condicionante de la aireación prolongada viene impuesto por la eliminación del nitrógeno, por lo que es planteable la modificación de plantas existentes para el tratamiento del fósforo, sin mas que modificar de forma muy sencilla el reactor biológico mediante una pantalla y la línea de fangos. En la figura siguiente se muestran los esquemas de los procesos correspondientes a las dos configuraciones básicas. Las características fundamentales de las mismas se sintetizan de la forma siguiente: • Sistemas de corriente principal: Se trata de un sistema de eliminación exclusivamente biológico. La asimilación y almacenamiento de fósforo se lleva a cabo en un única línea de tratamiento. La extracción del fósforo se realiza con la purga de fango biológico, preferiblemente desde el reactor aerobio (máximo contenido de fósforo en el fango). Exige gran acumulación de fósforo en el fango (6%-7%). • Sistemas de corriente secundaria: No es un biológico puro: combina el tratamiento biológico (corriente principal) con el químico (corriente secundaria). La extracción del fósforo se realiza desde una corriente secundaria (fracción de fango recirculado). Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 13 La fijación (eliminación del fósforo se lleva a cabo por vía química, mediante adición de Ca(OH)2 al sobrenadante del espesador anaerobio. No exige gran acumulación de fósforo en el fango (3.5%). SISTEMAS DE CORRIENTE PRINCIPAL • Proceso A2/O Fue desarrollado inicialmente para la eliminación de fósforo, A/O, que era un proceso muy simple. Incorporando la nitrificación se convirtió en A2/O. Se basa en tres etapas biológicas en serie: anaerobia, anóxica y aeróbica, antes de la decantación secundaria, y en dos recirculaciones independientes: fangos biológicos a la cámara anóxica y la recirculación normal desde el secundario a la cabeza del biológico. Este sistema requiere altas concentraciones de DQO a la entrada, ya que la recirculación de fangos aporta a la cuba anaerobia el oxígeno y los nitratos contenidos en los mismos perturbando su función, ya que los nitratos consumen por desnitrificación la materia orgánica simple como acetatos y propionatos, antes de que pueda ser almacenada por las bacterias desfosfatantes. Mayor eficacia cuando la relación DBO5s/P es mayor de 10 (hace falta una elevada concentración de DBO5 soluble). Según algunos autores (Marais, Wentzel) el consumo de DQO rápidamente biodegradables asciende a 8.6 y 3 mg por mg de NO3 y O2 respectivamente. Hay dudas respecto a la eliminación sistemática de N. Se puede llegar a concentraciones finales de P soluble de 1.0 mg/L y P total de 2 mg/L. Para alcanzar P total>1 mg/L de forma permanente es necesaria la adición de reactivos o filtración del efluente. El fango biológico en excesos necesita ser estabilizado (posibilidad de control químico de sobrenadantes y filtrados para evitar el retorno del fósforo a cabeza de planta) Para evitar inconvenientes algunas veces se introducen los fangos recirculados en un reactor anóxico antes de su inclusión en la cuba anaerobia (procesos Johannesburgo). • Proceso de la Universidad de Cape Town (UCT) Al igual que el A2/O consta de zona anaeróbica, anóxica y aireada en serie. En este proceso las recirculaciones son: 1.- Fangos y licor mixto de la aireación a cabeza de la cámara anóxica. 2.- Licor mixto de salida de la cámara anóxica a cabeza de la zona anaerobia. Al igual que el procesos A2/O requiere concentraciones de DQO altas, ya que si a la cuba anóxica se le suministran más nitratos de los que es capaz de desnitrificar se recircularían a su vez a la cámara anaerobia. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 14 La recirculación de fangos al tanque anaerobio se realiza en dos etapas, primero al tanque anóxico y después del anaerobio. Es un proceso especialmente indicado para condiciones de desnitrificación difícil (bajo valor de DQO/NKT). Contenido de fósforo soluble en el efluente del orden de 1 mg/L y de fósforo total del orden de 2 mg/L. El fango biológico en exceso necesita ser estabilizado (posibilidad de control químico de sobrenadantes y filtrados para evitar el retorno del fósforo a cabeza de planta). • Proceso de la Universidad de Cape Town (UCT) modificado. Con la finalidad de solventar los procesos anteriores se divide la cámara anóxica en dos compartimentos. La primera cámara anóxica a la que se conduce la recirculación de fangos se dimensiona de tal forma que puede desnitrificar todos los nitratos en las condiciones peores, que corresponde a un porcentaje de recirculación y a una salida de nitratos máximos permitidos. A la segunda cámara anóxica se recircula licor mixto con el caudal necesario para poder eliminar los nitratos deseados. • Proceso BIODENIPPHO Fue un sistema desarrollado inicialmente para nitrificación-desnitrificación y fue adaptado posteriormente a la eliminación de fósforo mediante inclusión de un tanque anaerobio en cabeza. Dos tanques que funcionan alternativamente en fase aerobia y anóxica y alimentación correspondientemente alterna. Los dos tanques están provistos de mezcladores y de aireadores, por lo que en cada tanque se pueden crear las condicines anóxicas y aerobias. La secuencia es AN-ANOX-AE. El proceso se produce en cuatro fases: A.- Afluente al tanque 1 sin aireación, pasando su contenido al tanque 2 con aireación y el contenido de este último a decantación. B.- Afluente del tanque 2 con aireación, pasando su contenido al decantador. Mientras tanto el tanque 1 está en aireación sin alimentación. C.- Afluente al tanque 2 sin aireación, pasando su contenido al tanque 1, que está con aireación. El contenido del tanque 1 pasa al clarificador. D.- Afluente a tanque 1 en aireación, pasando su contenido al clarificador. El tanque 2 está en aireación sin alimentación. Contenido de fósforo soluble en el efluente de 2 mg/L y P total de 3 mg/L. Para obtener mejores rendimientos es necesario utilizar reactivos o filtración. El fango biológico en exceso puede estar estabilizado ya que la edad del fango es elevada. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 15 SISTEMAS DE CORRIENTE SECUNDARIA • Sistema PHOSTRIP Es un sistema específicamente desarrollado para la eliminación de fósforo (sin nitrificación). Combina la eliminación biológica y la fijación del fósforo por vía química. Cuando se necesite desnitrificar el Phostrip puede constituir la primera etapa de un sistema de dos etapas. En sistemas de una sola etapa puede incrementar el tiempo de contacto anaerobio para compensar el reciclado de nitratos. Contenido de fósforo del efluente: P soluble < 1 mg/L (permanente) y P total 1 mg/L de valor medio. Para obtener valores mejores es necesario realizar una filtración. Bajo consumo de cal respecto a sistemas químicos empleando cal (la dosis depende de la alcalinidad no de la concentración de fósforo y el caudal a tratar es bajo, aproximadamente un 10%). Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 16 El fango biológico en exceso no está estabilizado (posible necesidad de control químico de sobrenadantes y filtrado). Produce fango químico. 3.3.- Factores que limitan el rendimiento de los sistemas biológicos de eliminación de fósforo Los factores fundamentales son los siguientes: • Escasa concentración de ácidos orgánicos en el agua residual. • Tiempo de retención en la etapa anaerobia demasiado reducido. • Presencia de nitratos u oxígeno en los flujos afluentes al tanque anaerobio. • Cargas de fosfato muy variables y no acompasadas con las cargas orgánicas. • Redisolución de fosfatos en decantador secundario. • Fuga de sólidos excesiva del decantador secundario. • Redisolución de fosfatos en las sucesivas fases del tratamiento y deshidratación de fangos. 3.4.- Tratamiento de los fangos El manejo del fango biológico generado en los procesos de eliminación de fósforo exige precauciones especiales. Los fangos no deben estar sometidos a anaerobiosis para evitar el retorno de fósforo a cabeza de tratamiento. El espesado de los fangos biológicos en exceso no estabilizados en el propio tratamiento (proceso Bardenpho y Biodenipho) debe ser necesariamente por flotación. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 17 El tanque de almacenamiento previo a la deshidratación debe de tener volumen reducido para evitar anaerobiosis. Los sobrenadantes, especialmente de disgestión anaerobia deben ser tratados con cal para fijar los fosfatos y no retornarles a línea de agua. 3.5.- Criterios de dimensionamiento Existen varios criterios para el dimensionamiento de la zona anaerobia: 1.- Volumen que cumpla un tiempo de retención hidráulica con el caudal punta de tiempo seco más la recirculación del orden de 0.75 a 1 hora en condiciones favorables y de 1 a 2 horas en condiciones desfavorables. 2.- El volumen del tanque anaerobio tiene que ser tal que del orden del 15% al 25% del fango activo total esté en fase anaerobia. 3.- Zona anaerobia del orden del 25% al 35% del volumen de aona aerobia más anóxica. Otros valores de diseño se muestran en la tabla siguiente: Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 18 4.- CONCLUSIONES GENERALES Conclusiones generales: • La tecnología disponible permite la eliminación del fósforo mediante sistemas cuya eficacia ha sido comprobada experimentalmente. • La información relativa al comportamiento de los tratamientos químicos+biológicos es mucho más extensa y completa que la de los sistemas biológicos, de algunos de los cuales se carece de resultados experimentales suficientes. Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA Tema n Página 19 • Los tratamientos químicos+biológicos tienen capacidad para conseguir , de forma consistente, valores de P total en el efluente del orden de 1.0 mg/L. • Los tratamientos biológicos no pueden garantizar de forma consistente P total =1 mg/L (con excepción del sistema PHOSTRIP). • Los tratamientos biológicos precisan de tratamiento complementario (químico o filtración) para garantizar P≤ 1 mg/L. • Cualquiera que sea el tipo de proceso aplicado, la obtención de valores de P total inferiores, precisa de una filtración del efluente. • El control de operación de los sistemas químicos+biológicos es mucho más sencillo que el de los sistemas biológicos. • El tratamiento de los fangos producidos en los sistemas biológicos exige precauciones especiales. • A pesar del considerable esfuerzo dedicado a la investigación de los sistemas de tratamiento biológico, todavía se precisa una ampliación del grado de conocimiento de su comportamiento. 5.NIVELES DE TRATAMIENTO ALCANZABLES CON DIFERENTES COMBINACIONES DE PROCESOS EN TRATAMIENTO AVANZADO DE AGUAS RESIDUALES PROCESOS SS (mg/L) Fangos activos + filtración (4-6) Fangos activos/nitrificación en (10-25) una sola etapa Fangos activos/nitrificación + (10-25) desnitrificación etapas separadas Fangos activos/nitrificación + (<5-10) desnitrificación + adición de sales +filtración Procesos biológicos de (<10) eliminación conjunta de P y N + filtración Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Universidade da Coruña DBO5 (mg/L) (5-10) (5-15) N total mg/L (15-35) (20-30) N-NH4+ mg/L (15-25) (1-5) P-PO4+ mg/L (4-10) (6-10) (5-15) (5-10) (1-2) (6-10) (<5-10) (3-5) (1-2) (<1) (<5) (<5) (<2) (<1) Fecha: Enero 2007 Asignatura: SISTEMAS DE SANEAMIENTO MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA
