AIREACIÓN INTERMITENTE PARA REMOCIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO EN SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA SOLA ETAPA *José Collí Misset Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Jefe del Laboratorio de Tratamiento de Aguas Residuales Municipales. Investigador en el área de tratamiento y reúso de aguas residuales domésticas desde 1986 hasta la fecha, con líneas de investigación y servicio tecnológico en saneamiento rural, sistemas naturales de tratamiento, remoción y conservación biológica de nutrientes y reúso del agua en la agricultura Hideo Sugita Japanese Association of Rural Sewerage, Japón Masaru Yamaoka National Research Institute of Agriculture Engineering, Japón Hortensia Ruiz Magallanes DEPFI/ Universidad Nacional Autónoma de México (*): Av. Paseo Cuauhnáhuac 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos 62550 México. Tel.. +52 (777) 3293695 Fax: 52(777)3293622 e-mail: jcolli@tlaloc.imta.mx RESUMEN Una planta piloto de aireación extendida (θh 24 horas y θc 25 días) fue diseñada y construida para realizar experimentos que permitieran su transformación de tratamiento secundario a tratamiento terciario. Se realizaron cambios operacionales para tener condiciones anóxicas y aerobias suministrando de manera cíclica o intermitente aire en una serie de tiempos o ciclos de tres horas en un solo reactor. Se experimentaron con quince escenarios donde se variaron los tiempos de aireación desde 20 minutos de aireación y 160 minutos de agitación hasta 180 minutos de aireación continua, a fin de encontrar los tiempos óptimos requeridos para los procesos de nitrificación y desnitrificación. El control de la aireación se fijó para mantener una concentración de 2 mg/L utilizando un gasto de aire de 0.3 m3/min. Este control del oxígeno fue realizado por medio de un controlador PID y un variador de la frecuencia de los sopladores, midiéndose además la energía consumida en cada escenario. Se realizaron registros en línea cada minuto de oxígeno disuelto, potencial de óxido reducción, sólidos suspendidos, temperatura, pH y gasto de aire y determinaciones analíticas de DBO, SST, nitrógeno y fósforo en todas sus formas. Los mejores resultados se obtuvieron con el ciclo de 50 minutos de aireación y 130 minutos de mezclado (50/130), obteniéndose eficiencias de remoción de nitrógeno total del 90% y concentraciones menores a 10 mg/L en el efluente, reduciéndose el consumo de energía en un 76% con respecto a la aireación continua, teniéndose consumos de 14 kW⋅h/d lo que equivale a 0.32 Kw⋅h/m3. Para la obtención de efluentes para reúso agrícola y acuícola donde la toxicidad por nitrógeno amoniacal es un factor a cuidar, se obtuvo una remoción del 94% del nitrógeno amoniacal y concentraciones en el efluente menores a 1.5 mg/L, similares a las obtenidas con aireación continua las 24 horas, utilizando un patrón de intermitencia de 90/90, pero con la ventaja de ahorrar más del 50% de la energía necesaria en la aireación continua. Aunque la remoción de DBO5 no fue afectada por la aireación intermitente pues se obtuvo en el efluente un promedio <20 mg/l), no fue posible acoplar las reacciones de remoción biológica de fósforo, manteniéndose remociones no mayores al 30%, similares a las reportadas en los sistemas de lodos activados con aireación continua debido entre otras causas, a la presencia de nitratos durante la fase anóxica. Palabras Clave : aireación intermitente, remoción biológica de nitrógeno, eutroficación, reactores de una sola etapa, ahorro de energía INTRODUCCION La eutroficación y la disminución de oxígeno en lagos y ríos, así como la presencia de nitratos en agua para consumo humano han sido reconocidos como un tema de especial interés por sus repercusiones en el medio ambiente acuático y la salud pública. El control de la eutroficación misma ha exigido la limitación de los nutrientes provenientes de las descargas de aguas residuales tratadas y sin tratar. Las nuevas regulaciones en países desarrollados, como Japón y de la Unión Europea preocupados por la preservación de sus cuerpos de agua, han pasado del control de la materia orgánica, normalizada a través de parámetros como la DBO y los SST, a límites más estrictos de nitrógeno y fósforo. Esto ha implicado un desarrollo desde hace dos décadas de tecnologías basadas en la remoción de nutrientes para poblaciones equivalentes mayores de 100,000 (directrices de la Unión Europea) y en algunas ocasiones mayores de 10,000. Conocedor de esta situación y ante la dependencia tecnológica en la que México se encuentra para combatir este problema, se realizó un proyecto de cooperación internacional para el desarrollo de tecnologías de tratamiento de remoción de nitrógeno y fósforo que sean eficientes y de bajo costo, para posibilitar la reconversión de las plantas de tratamiento, que en su gran mayoría sólo remueven materia orgánica, y aportar nuevos elementos para las que se diseñen con este propósito. Para resolver estos problemas, existen diversas tecnologías disponibles que permiten remover el nitrógeno o el nitrógeno conjuntamente con el fósforo en procesos de biomasa suspendida separados o combinados en dos o más etapas. Algunas de estas tecnologías requieren el pago de los derechos de patentes o la necesidad de diversas unidades de tratamiento, lo cual las hace costosas. En México, la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales han sido diseñadas para remover sólo materia orgánica descargando efluente ricamente nitrogenados con lo cual se afecta adversamente la calidad de cuerpos de agua, como en el Lago de Chapala, que son fuentes de abastecimiento de agua para el consumo humano. Para reconvertir estas plantas en sistemas de tratamiento avanzado para remover nutrientes, es preciso seleccionar aquellas tecnologías que permitan hacerlo al menor costo para cumplir los niveles requeridos por las regulaciones federales o locales actuales y las más restrictivas que se implanten en un futuro. Una de estas opciones es la tecnología que permite modificar la operación de aireación continua a intermitente obteniendo en el mismo reactor o tanque de aireación las condiciones óptimas para lograr la máxima remoción de nitrógeno y fósforo al menor costo. OBJETIVOS Evaluar el efecto de los tiempos de aireación y no aireación con mezclado en la remoción de biológica de nitrógeno y en el consumo de energía, en un planta de aireación extendida modificada operacionalmente para aireación intermitente. METODOLOGÍA Se diseñó y construyó un sistema de aireación extendida para un gasto de diseño de 2 lps. Los tanques de aireación de este sistema pueden operar en paralelo o en serie para tener flexibilidad en las experimentaciones con procesos de remoción biológica de nitrógeno y fósforo en etapas separadas o combinadas y cuentan con un sistema de aireación con difusores de burbuja fina y mezcladores. Están equipados con sensores que miden en línea parámetros tales como SST, pH, OD, potencial de óxido-reducción, temperatura, turbiedad, nivel del agua, gasto, flujo de aire, nitrógeno total, nitrógeno amoniacal, nitratos, fosfatos y COT. Se experimentaron con 15 escenarios durante dos años, donde se varió el tiempo de aireación de 20 a 180 minutos en ciclos de tres horas dentro de un solo reactor; en consecuencia, a la aireación le seguían ciclos de no aireación que variaron de 160 a 0 minutos. Para cada uno de los patrones de aireación intermitente, se trabajaron dos métodos de control de oxígeno disuelto. El primero consistió en manejar intervalos de tiempo fijos de acuerdo al patrón de aireación (control por tiempos) mientras que en el segundo además del control por tiempos, se fijó un valor de oxígeno disuelto de 2 ppm que se debía mantener mediante un sistema de control proporcional integrativo derivativo, (PID, por sus siglas en inglés), durante la etapa de aireación según el caso. La medición del consumo de energía se realizó con equipos que integraban al variador de frecuencia la medición del consumo de energía de los sopladores. Esta parte se realizó con el fin de establecer el control de aireación óptimo para la remoción de nutrientes. El gasto de aire suministrado fue medido utilizando un censor térmico instalado dentro dela tubería de aire. Con excepción del caso 1 en el que se trabajó con aireación continua las 24 horas, en la planta de aireación extendida se fijaron ocho ciclos de 3 horas cada uno, cada ciclo incluye dos etapas una de aireación y otra de no-aireación cuya duración depende del escenario de aireación con el que se estuvo operando el sistema. Se experimentaron con dos TRH, uno de 34 horas y otro de 20 horas manteniendo el gasto de recirculación al 100%. TABLA 1: Plan experimental para los experimentos de aireación continua e intermitente Tipo de control Patrón de aireación Caso TRH, horas Aireación, min no-aireación, min T, tiempo OD, oxígeno disuelto 1 180 0 Ninguno 34 2 20 160 T + OD 34 3a 40 140 T 34 3b 40 140 T + OD 34 4a 50 130 T 34 4b 50 130 T + OD 34 4c 50 130 T + OD 20 5a 70 110 T 34 5b 70 110 T + OD 34 5c 70 110 T, Nutrientes 20 5d 70 110 T + OD 20 5e 70 110 T + OD 20 Nutrientes + FeCl3 5f 70 110 T + OD 20 FeCl3 6a 90 90 T + OD 20 6b 90 90 T 20 El análisis químico de nutrientes se realizó con un equipo analizador de flujo segmentado marca Skalar, que utiliza el método de reducción en columna de cadmio para análisis de N-NO2+NO3 y el mismo método con digestión previa in situ con luz UV para análisis de nitrógeno total; para nitrógeno amoniacal la técnica de análisis fue el método de Berthelot, Para el caso de fósforo total, fue el del ácido ascórbico con digestión con luz UV in situ. RESULTADOS Condiciones de operación. Para cada uno de los escenarios contemplados en la Tabla 1 se obtuvieron las condiciones de operación para los dos tanques de aireación, los cuales se muestran en la Tabla 2. Características del influente. En la Tabla 3 se presenta las características promedio de la calidad influente de las aguas residuales crudas a la planta de tratamiento durante los escenarios de prueba. Para el caso de las concentraciones de materia orgánica biodegradable medida como DBO5, así como del nitrógeno y el fósforo total, el influente presenta características de aguas de concentración débil; no así la DQO, la cual en 6 de los 15 escenarios presentó concentraciones características de aguas medianamente concentradas, esto quizás debido a las descargas de los laboratorios del IMTA a la planta de tratamiento. Tabla 2 Comportamiento de los parámetros de operación para los escenarios experimentales en el tanque de aireación Escenarios Parámetro 1 2 3a 3b 4a 4b 4c 5a 5b 5c 5d 5e 5f Q 0.48 0.36 0.36 0.36 0.33 0.25 0.25 0.33 0.44 0.71 0.71 0.74 0.65 28 46 38 39 42 52 28 42 32 19 18 17 19 θh (horas) 188 942 630 455 1443 868 1933 1784 1521 107 107 405 98 θc (días) 0.14 0.04 0.03 0.04 0.03 0.02 0.04 0.02 0.03 0.04 0.02 0.02 0.01 F/M (d-1) SSVLM, mg/l 1291 2210 4440 4587 3630 3147 4027 3693 3357 4233 4647 4150 5650 6a 0.70 18 140 0.03 6667 Tabla 3 Comportamiento de la calidad influente promedio del agua para los escenarios experimentales Escenarios Parámetro (mg/L) 1 2 3a 3b 4a 4b 4c 5a 5b 5c 5d 5e 5f DBO5 154 104 204 350 230 132 168 142 122 136 56 56 38 DQO 291 172 397 617 595 634 431 320 417 288 151 466 72 SST 79 50 57 54 69 ------ 32 61 68 35 ------ -----22 N-TOT 23 20 27 29 31 44 33 26 24 10 ------ 7.5 -----NH3 16 12 17 18.1 17 29.6 30 20 16 12 2.87 6 8 NO2+NO3 0.6 1.3 0.40 0.3 0.3 0.10 0.65 0.47 0.44 0.67 2.14 0.66 2.74 P-TOT 2.9 4.1 3.96 2.69 6 ------ 4.75 3.42 4.25 2.31 ------ 1.99 2.99 DBO/N 9 5 10 13 6 3 5 4 5 5 ------ 7 -----DBO/P 37 28 37 143 38 ------ 35 23 29 28 ------ 2 13 6a 143 476 60 -----25.2 1.35 4.75 -----30 Aunque los análisis efectuados de metales pesados (As, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb y Zn) y cianuros nunca rebasaron las concentraciones en el efluente tratado exigidas por la norma oficial mexicana para cuerpos receptores esto no asegura que no haya habido peligro de inhibición de Nitrosomonas, ya que los niveles de detección se encontraron por arriba de las concentraciones tóxicas referenciadas (Henze et al, 1997) para Ni, Cr3+ y Zn, las cuales son >0.25.mg/L para los dos primeros y de 0.08 a 0.5 mg/L para el Zn. En cuanto a la relación carbono a nitrógeno C/N (medida como Kg DBO5/Kg N-T) estuvo en el rango de 3 a 7 en la mayoría de los casos de aireación intermitente (ver Tabla 5.19a) a excepción de los patrones de 40/140 así como en el de aireación continua donde se obtuvieron concentraciones más altas de DBO5, con lo que el rango se situó entre 9 y 13 unidades. La relación calculada como DQO/N-T, promedió 16 unidades con un rango entre 9 y 29 el cual se encuentra en su límite superior muy por encima del rango típico de 10 a 15 unidades (EPA, 1993) esto puede ser debido a la influencia de la descarga de sustancias inorgánicas de los laboratorios del Instituto. La relación C/N es un factor crítico para el funcionamiento adecuado de los desnitrificadores. Henze (1997) sitúa el valor óptimo para la materia orgánica proveniente de las aguas residuales en 3.2 Kg DBO/Kg N, este valor fue alcanzado en el caso 4b correspondiente al patrón de aireación intermitente de 50/130 con control por tiempos y de OD y un tiempo de residencia hidráulico de 52 horas. Los resultados obtenidos (Tabla 4). indicaron que para una remoción del 90% del nitrógeno total era necesaria una aireación durante 50 minutos seguida de una no aireación de 130 minutos, tal como se muestra en la Figura 1, en los casos experimentales 4A y 4B. 6b 0.64 24 178 0.03 3987 6b 105 175 22 17 8.88 0.94 4.87 6 22 En este sistema de aireación intermitente, la remoción biológica del fósforo fue menor al 30% y en algunos escenarios hubo un aumento de la concentración en el efluente del sedimentador secundario. Durante el escenario de aireación continua (180 minutos de aireación en ciclos de tres horas), la remoción del nitrógeno total fue menor al 15%. Sin embargo, más del 97% del nitrógeno amoniacal fue transformado casi completamente a nitratos. En el caso del escenario de 20 minutos de aireación y 160 minutos de no aireación, la eficiencia de remoción de nitrógeno total fue del 30% con una conversión del 45% del nitrógeno amoniacal presente a nitrógeno de nitratos Tabla 4 Comportamiento de la calidad efluente promedio del agua para los escenarios experimentales Escenarios Parámetro (mg/L) 1 2 3a 3b 4a 4b 4c 5a 5b 5c 5d 5e 5f 6a 6b DBO5 6 14 9 31 9 6.5 8 8 5.6 4 2 4 9 3 5 DQO 39 43 80 267 143 156 218 122 84 52 35 43 33 53 61 SST 13 7 14 24 5 ------ 8 8 4 12 7 16.5 6 13 3 20 14 7 11 3 4.3 9 9 5.7 2 ------ 5.4 ------ ------ 13 N-TOT NH3 0.4 8 4 5.9 0.3 0.47 1 3 0.64 1.10 1.13 1.2 1.13 1.42 1.10 NO2+NO3 17 5.3 1.66 0.4 1.1 1.82 3.27 3.04 3.91 4.60 4.69 6.3 2.89 5.42 6.45 P-TOT 4 4 3.59 0.87 4 ------ 4.07 3.65 3.6 2.60 ------ 14.6 4.18 1.0 4.85 100 2.5 0.4 OD Q aire 50 0.3 3 1.5 0.2 1 0.1 0.5 0 9:00 0 1 2 3A 3B 4A 4B 4C 5A 5B 5C 5D 5E 5F 6A 6B Qaire (m /min) DBO NT PT OD (mg/L) Remoción (%) 2 0 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 Tiempo (hh:mm) Casos experimentales Figura 1: Remoción de materia orgánica (DBO), nitrógeno total (NT) y fósforo total (PT) en los escenarios de investigación de aireación continua e intermitente en el sistema de aireación extendida (izq) y comportamiento del OD y el gasto de aire en el escenario de 50/130 (der). Durante el escenario de aireación continua (180 minutos de aireación en ciclos de tres horas), la remoción del nitrógeno total fue menor al 15%. Sin embargo, más del 97% del nitrógeno amoniacal fue transformado casi completamente a nitratos. En el caso del escenario de 20 minutos de aireación y 160 minutos de no aireación, la eficiencia de remoción de nitrógeno total fue del 30 porciento con una conversión del 45% del nitrógeno amoniacal presente a nitrógeno de nitratos. Con el fin de complementar el panorama de las condiciones bajo las que se llevó a cabo cada reacción, en la Tabla 5 se presenta el valor promedio de los parámetros que se monitorearon en línea en los tanques de aireación. Estos datos se presentan por patrón en forma general debido a que son prácticamente constantes en un mismo caso. Velocidades de reacción en la etapa de nitrificación y denitrificación La velocidad de reacción a la que se lleva a cabo la remoción de nitrógeno es también de especial importancia dentro del campo de la remoción de nutrientes, en la literatura se pueden encontrar valores aproximados, sin embargo en la planta de tratamiento se consideró que calcular la velocidad de reacción especifica para los escenarios de operación es una forma de ampliar los conocimientos sobre lo concerniente a la remoción de nitrógeno. Tabla 5 Condiciones de operación bajo las cuales se llevo a cabo cada patrón de aireación. Patrón de aireación Continua 20 / 160 40 / 140 50 / 130 70 / 110 Etapa SST, ppm OD, ppm pH Redox mV Temp., o C Aireación No-aireación Aireación No-aireación Aireación No-aireación Aireación No-aireación Aireación 2677 3791 3775 4969 5055 7413 7447 6008 5964 5.92 6.53 6.54 6.37 6.48 4.05 4.02 6.31 6.30 532 635 584 -111 280 334 363 215 351 18.25 15.52 15.50 19.82 19.83 21.49 21.48 20.09 20.10 2.43 1.70 1.11 0.04 0.17 0.20 0.64 0.12 0.40 Como una forma de visualizar las etapas de nitrificación y denitrificación se planteó graficar la concentración de nitratos en el tanque de aireación, esta determinación se hizo cada 10 minutos durante un ciclo completo. Dado que cada ciclo está formado por una etapa de aireación y otra de no aireación, se esperaba que al monitorear durante 3 hr, que es el tiempo que dura cada ciclo, se tuviera una curva en la cual pudiera identificar un incremento en la concentración de nitratos seguida de una disminución en la misma. Lo anterior fue posible de manera parcial debido a que no en todos los casos la respuesta al encendido/apagado de los sopladores fue inmediata y se obtuviern graficos en los que se muestra que se terminó el monitoreo cuando aún no terminaba la reacción, este fue el caso de los monitoreos realizados durante el escenario 50/130; en cambio, durante los escenarios 70/110 y 40/140 se obtuvieron datos a partir de los cuales fue posible, mediante un balance de masa, aproximar la razón de cambio con respecto al tiempo como una aproximación de la velocidad a la que ocurre la reacción global de remoción de nitrógeno. NOx inf luente + NOx acumulada + NOx recirculación − NOx efluente La expresión utilizada para el cálculo es la sig. [ ∆[N ] ∆[N ]t ∗ Vt ± N Ox = ∆T ] tm [ ] [ ] ∗ ∆T ∗ Qtm ± N Ox r * Vr ± N Ox t * (∆T * Qi + ∑ Vr ) ∆T ecuación 1 En la tabla 6 se presentan los resultados obtenidos para la velocidad de reacción. Tabla 6 Velocidad de la reacción de remoción de nitrógeno en la planta Fecha monitoreo Patrón aireación Vel reacción, gNO3/gSSV*d 9 Febrero 3 Junio 25 Marzo 7 Mayo 40-140 40-140 70-110 70-110 0.04 0.03 0.10 0.07 Consumo de energía. En la Tabla 7 y Figura 2 se muestran los resultados del consumo de energía eléctrica para los diferentes escenarios experimentados. Como se puede apreciar, la aireación continua (esto es la aireación ininterrumpida durante 24 horas) requiere de 60 Kw·h/d de energía eléctrica para poder suministrar el volumen de aire necesario que permita mantener una concentración de oxígeno disuelto en el tanque de aireación de 2 mg/l. La aireación intermitente requirió de diferentes consumos de energía para cada uno de los escenarios establecidos, así como para cada tipo de control (por tiempos y por límite de OD). En la Tabla 7 se puede observar que el mejor escenario resultó ser el de 50/130 con un consumo promedio de 14 Kw·h/d lo cual representó sólo el 22.5% del consumo del régimen de aireación continua, con lo que el ahorro de energía equivale al 75.6%. Con respecto al consumo de energía por efecto del control ya sea por tiempos o por oxígeno disuelto (OD), se observa que para todos los patrones el control por OD consumió de 9 a 21% menos kilowatts por hora-día que en el control por tiempos, observándose el menor consumo en el ciclo 50/130 tal como se muestra en la última columna de la Tabla 7 y en las columnas de barras de los casos 4a, b y c de la Figura 2 Tabla 7 Comparación del consumo de energía entre la operación continua y la intermitente. No. de Tiempo de escenario aireación/mezclado en ciclos de 3 h. [% del tiempo de aireación] 16.6 [27.7] Caso 3a 17.0 [28.3] Caso 4a 23.1 Casos 5a y 5c [38.5] 29.6 [49.3] 14 [23.3] Caso 3b 13.5 [22.5] Casos 4b y 4c 19.5 Casos 5b, 5d, 5e y 5f [32.5] 26.8 [44.7] Casos 6a y 6b 1 28Kw/h 60Kw/h 14.7Kw/h 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Consumo de energía mediante el Relación OD/ Tiempo, % control por OD, Kw⋅h/d [C. E. intermitente/ C. E continua, %] 60.0 [100] 15.3Kw/h Consumo de energía (%) Aireación continua 1 180/0 [100] Aireación intermitente 3 40/140 [22.2] 4 50/130 [27.8] 5 70/110 [38.9] 6 90/90 [50] Consumo de energía mediante el control por tiempos, Kw⋅h/d [C. E. intermitente/ C. E continua, %] 20.7 7Kw/h 2 3a 3b 4a 4b 4c 5a 5b 5c 5d 5e 5f 6a 6b Casos experimentales Figura 2 Consumo de energía para los diferentes escenarios de aireación 84.3 79.4 84.4 90.7 CONCLUSIONES Las investigaciones realizadas para la remoción de nitrógeno mostraron que se puede tener efluentes ricamente nitrificados para su reúso en la agricultura o en la acuacultura, utilizando aireación intermitente con patrones de aireación de 90 minutos en ciclos de tres horas para obtener remociones del 94% de nitrógeno amoniacal y concentraciones en el efluente menores a 1.5 mg/L, similares a las obtenidas con aireación continua las 24 horas (97%) pero con la ventaja de ahorrar más del 50% de la energía necesaria para la aireación continua. Sin embargo, debido a que mediante la nitrificación sólo se cambia de forma el nitrógeno, la remoción del nitrógeno total es menor del 30%, siendo insatisfactoria para cuando el objetivo es la descarga a cuerpos receptores y no el reuso. Para obtener la remoción de nitrógeno total en un solo reactor, los mejores resultados se obtuvieron con el ciclo de 50 minutos de aireación y 130 minutos de mezclado, obteniéndose eficiencias de remoción de nitrógeno total del 90% y concentraciones menores a 10 mg/L cumpliendo con creces el límite más estricto exigido por la norma mexicana el cual es de 15 mg/L. Adicionalmente se logró un ahorro del 77% en el consumo de energía con respecto a la aireación continua, teniéndose consumos de 14 Kw ⋅h/d lo que equivale a 0.32 Kw⋅h/m3 Agradecimientos.- Los fondos para esta investigación fueron otorgados por la Agencia de Cooperación Internacional del Gobierno de Japón y del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. A la compañía holandesa Skalar Analytical y su representante en México UGS Internacional por la donación del equipo de análisis de nutrientes. 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