Elim inació n de la Contam inació n Nitrogenada

E. Ronzano y J.L. Dapena
Elim inació n de la C ontam inació n
Nitrogenada
NITRÓGENO EN LA VIDA BIOLÓGICA
El nitrógeno, tanto para las bacterias como para los demás seres vivos evolucionados, es
uno de los elementos esenciales para la vida biológica; pero su exceso puede ser nefasto
bajo el punto de vista ecológico, puesto que vertido en un curso de agua produce los
siguientes efectos:
En forma amoniacal
- Consumirá oxígeno para pasar al estado oxidado de nitratos: para 1 g de N-NH4 se
necesitan 4,6 g de oxígeno, es decir, de 3 a 4 veces más que para estabilizar 1 g de
materia orgánica.
- Es tóxico para algunos peces.
- Plantea dificultades en el tratamiento del agua potable.
En forma de nitratos
- Contribuye a la eutrofización de los lagos, pantanos y cursos de agua lentos.
- Puede ser perjudicial para la salud humana al pasar al agua potable.
NITRÓGENO DE LAS AGUAS RESIDUALES
Concentraciones
Como se ha indicado en el Capítulo 3, es muy útil relacionar las concentraciones de
nitrógeno con las de DBO. Veremos posteriormente que la relación NTK/DBO5 es
indispensable para el estudio de la desnitrificación y de la desfosfatación biológica.
La Tabla 6.1 da algunos valores, recomendaciones de algunos manuales o de resultados
de estudios estadísticos. El valor 0,2 puede considerarse representativo de este conjunto
de datos. A falta de análisis más precisos, podemos adoptar esta relación como buena
para el cálculo de las instalaciones.
Aunque nuestro objetivo es el estudio del tratamiento de las aguas residuales urbanas, es
inevitable que éstas reciban una proporción más o menos alta de aguas industriales.
Estas últimas pueden modificar la relación N/DBO, a veces aumentándola, pero
normalmente la disminuyen.
Tabla 6.1
CONTAMINACIÓN DEL NITRÓGENO, RELACIÓN NTK/DBO5
Formas del nitrógeno y su evolución
Los nitritos y nitratos aparecen generalmente en concentraciones casi siempre
despreciables. Cuando la concentración de NH4 es elevada (purines de cerdos, por
ejemplo), se produce una mayor acción inhibidora sobre los nitrobacter (ver a
continuación la página 97) que sobre los nitrosomonas; debido a esto la nitratación no
puede seguir a la nitritación, y por lo tanto las concentraciones de nitritos son bastante
apreciables.
El nitrógeno total KJELDAHL «N-NTK» (del nombre del método de análisis)
representa el total de nitrógeno en forma orgánica y amoniacal (no incluye nitritos ni
nitratos).
El nitrógeno orgánico puede ser inerte o degradable, con un orden de magnitud del 12%
(10% en suspensión y 2% soluble) y 88% respectivamente.
Las dos principales fuentes de contaminación nitrogenada son los vertidos de proteínas
y urea; algunos autores clasifican esta última independientemente (como forma
orgánica). La fracción orgánica degradable se transforma, por acción enzimática, en
forma amoniacal, mediante el proceso denominado amonificación. La cinética de esta
reacción es muy rápida para la urea, pero inferior para las proteínas; aun así, se puede
considerar que al final del tratamiento no subsiste más que la fracción orgánica inerte.
De lo dicho anteriormente se llega a la conclusión de que, con el tratamiento por fangos
activados, no es necesario conocer la proporción entre las formas orgánicas y
amoniacales. En cambio, en los sistemas de tratamiento del tipo cultivos fijos (lechos
bacterianos, discos biológicos, filtros, etc), en los cuales el tiempo de retención en el
reactor es muy corto, puede no completarse la amonificacion.
El nitrógeno amoniacal procede de la amonificación del nitrógeno orgánico que se
efectúa en la red de colectores y que afecta a la práctica totalidad de la urea y de las
demás materias orgánicas fácilmente degradables. Una parte de este nitrógeno se
incorpora a la masa bacteriana (en la constitución de las células); a este fenómeno se le
denomina asimilación.
Cuando las condiciones ambientales son favorables, en particular la edad del fango y la
temperatura, el nitrógeno llega a oxidarse a la forma nitrato en el proceso biológico
aerobio denominado nitrificación.
En un reactor anóxico en ausencia de oxígeno, algunas bacterias heterótrofas son
capaces de consumir oxígeno de los nitratos, los cuales se reducen liberando nitrógeno
libre. Este proceso se denomina desnitrificacion.
Todos estos procesos se representan en el diagrama de bloques de la Figura 6.1.
Figura 6.1. Ciclo del nitrógeno en el tratamiento.
NITRÓGENO DE LOS FANGOS
Fangos primarios
Como ya habíamos comentado, aproximadamente el 10% del nitrógeno se encuentra
como materia en suspensión en forma inerte. Por consiguiente, aparecerá formando
parte de los fangos primarios o de los fangos en exceso en ausencia de decantación
primaria.
Fangos en exceso
La masa activa de los fangos, degradable e inerte, contiene una cierta proporción del
nitrógeno incorporado por asimilación. Se han propuesto las siguientes estimaciones:
MASA ACTIVA MASA INERTE
Eckenfelder(Ref. L2-p. 235) .......... 12,3%..........................7%
Marais (Ref. Ll-4-9) .........................10% ........................10%
Edeline (Ref. L11-p. 32) ..................12,3%..................... 12,3%
Podemos adoptar el valor del 10%, propuesto por Marais, para las masas activa e inerte.
- La masa activa residual, producida por la eliminación de 100 g de DBO5, se expresa
por la relación ya utilizada:
MSAa = [71 / (1 + 0,16 SRT) ] · g (8)
De acuerdo con lo anterior, la masa de nitrógeno contenida en esta fracción será:
N - MSAa = [71 / (1 + 0,16 SRT) ] · g / 100 g DBO5 (39a)
La masa volátil inerte es a su vez la suma de:
a) Los residuos de la endogénesis, estimados en el 20% de la masa activa eliminada:
MSAvi = 0,2 · 71 · 0,16 SRT / (1 + 0,16 SRT) = 2,27 / (0,16 + 1/SRT) (12)
b) Las materias preexistentes. En un agua decantada podemos estimar MS/DBO5 =
0,73; el 20% de las materias en suspensión se consideran volátiles inertes. Por lo tanto,
a una DBO5 de 100 g se le asocia una materia volátil inerte:
MSAvi = 100 · 0,2 · 0,73 = 15 g
El conjunto a) + b) será:
MSAvi = 2,27 / (0,16 + 1/SRT) + 15 g MS/lOO g de DBO5
De acuerdo con el valor tomado de Marais (10%), resulta:
N-MSAvi = 0,227 / (0,16 + 1/SRT) + 1,5 g N/lOO g de DBO5 (39b)
Es indispensable diferenciar entre la masa activa e inerte, puesto que el tratamiento de
fangos posterior actuará de forma diferente sobre cada una de las dos fracciones de la
materia volátil:
- Inerte: Permanecen estables y el nitrógeno quedará incluido en los fangos.
- Activa: Una estabilización aerobia o una digestión anaerobia producirán una
estabilización de la masa activa, de la cual sólo quedarán los residuos. En la
estabilización aerobia, el nitrógeno desasimilado se nitrificará posteriormente. En la
digestión anaerobia, el nitrógeno amoniacal se devolverá a la fase líquida.
Observamos que para SRT, variando de 0 a infinito, la masa de nitrógeno asimilada en
los fangos por 100 g de DBO5 eliminada variará de la siguiente forma:
- Fangos frescos: N-MSAva + inertes = 8,6 + 2,9 g.
- Fangos digeridos: N-MSAv inertes: 1,5 / 2,9 g.
Los valores calculados figuran en la Tabla 6.2 y en la Figura 6.2.
Tabla 6.2
NITRÓGENO DE LOS FANGOS ACTIVADOS
g de N por 100 g de DBO5
Fangos frescos y digeridos
Estudiamos un ejemplo, con el agua «tipo» ya definida anteriormente:
DBO5 agua bruta = 300 mg/l
Figura 6.2. Nitrógeno de los fangos activados, en función de SRT.
DBO5 agua decantada = 200 mg/l
N-NTK agua bruta = 60 mgIl
N-NTK agua decantada = 54 mg/1
MS sedimentables = 200 mg/l
Se utilizan las Tablas 6.1 y 4.1 para la producción de fangos en exceso.
Los cálculos se indican en la Tabla 6.3. Se realizan para una edad del fango de 3 días
(media carga) y 15 días (baja carga). La producción de agua se refiere a 1 m3.
La recomendación suiza sobre la utilización de los fangos digeridos fija una relación
N/MS = 3,4% (Ref. 110). Un estudio sobre la composición de fangos (Ref. 111)
presenta el siguiente intervalo:
- Fangos frescos: 3 a 5 %
- Fangos digeridos: 2 a 5 %
Estos valores, en su mayoría, se refieren a instalaciones de media carga, en las cuales
SRT = 3 días.
NITRÓGENO DEL AGUA TRATADA, POTENCIAL DE NITRIFICACIÓN
Nitrógeno del agua tratada
El nitrógeno del agua tratada, con relación al nitrógeno total del agua bruta, es la suma
de los siguientes términos:
a) N-orgánico soluble inerte. Puede estimarse en el 20% del NTK del agua bruta, es
decir, una concentración del orden de 1 mg/l.
b) N-NH4 (amoniacal). La nitrificación completa nunca es posible y siempre subsisten
en el agua tratada de 1 a 2 mg/l de N-NH4, es decir, aproximadamente de un 1,7 a un 3
% del NTK del agua bruta (estimado en 60 mgIl).
c) N-orgánico inerte de las MS del agua tratada. Se puede estimar la MS en 20 mg/l, es
decir 14 mg/l de MV, cuyo contenido en N se ha estimado en el 10%. Es decir, una
concentración de 1 - 1,5 mg/l, y por lo tanto el 20% del NTK del agua bruta.
El total del NTK será del orden de 4 mg/l, es decir, el 7 % del NTK del agua bruta.
Potencial de nitrificación
Se denomina potencial de nitrificación a la masa de N-NH4 que es posible nitrificar. Se
puede expresar en mg/1 o en % del N-NTK del agua bruta. Será por lo tanto este último,
previa deducción de las fracciones contenidas en el agua tratada y los fangos.
Tabla 6.3
Aclaramos este aspecto a partir del mismo ejemplo, utilizado anteriormente. (ver Tabla
6.4).
NITRIFICACIÓN
Cinética de la nitrificación
A) RELACIÓN DE MONOD
Los microorganismos nitrosomonas y nitrobacter son los que producen la oxidación,
primeramente del nitrógeno amoniacal a nitritos y a continuación a nitratos.
En el tratamiento de las aguas residuales urbanas, el crecimiento de los nitrobacter es
siempre más rápido que el de los nitrosomonas. Debido a esto:
Tabla 6.4
- La velocidad de crecimiento de los nitrosomonas es el factor critico o limitante, y
servirá de base para el dimensionamiento de la nitrificación.
- La concentración en nitritos siempre será muy baja.
La cinética del crecimiento de los nitrosomonas, así como la de todos los
microorganismos, puede expresarse por la relación de Monod:
µs = µm · S / (ks + S)
Siendo:
µ: Tasa de crecimiento para la concentración del sustrato 5; en el caso del NH4 la
denominamos Ni.
µm: Tasa de crecimiento máxima, obtenida cuando Kd/Ni es despreciable.
ks: constante de semisaturación, que representa la concentración de NH4 para la cual µs
es la mitad de µm
Esta constante ks es difícil de medir y casi siempre es inferior a 1 mg/l, valor que
adoptaremos por seguridad.
La relación de MONOD, resulta entonces:
µm = µm · Ni / (1 + Ni)
Teniendo en cuenta la dilución producida por la recirculación de fangos, podemos
estimar Ni = 20 mg/l. Cuando comienza a desarrollarse la nitrificación, la eliminación
de NH4 es despreciable, y su concentración en el licor es prácticamente igual a Ni. En
este caso, us es prácticamente igual a um, puesto que:
µm = µm · 20 / (1 + 20) = 20/21 µm = 0,95 µm
Por el contrario, si se ha desarrollado la nitrificación, la concentración en NH4 del licor
será muy baja y del orden de 1 mg/l; por lo tanto:
µm = µm · 1 / (1 + 1) = 0,5 µm
B) IMPLICACIONES DE LA LEY DE MONOD EN LA VELOCIDAD MEDIA DE
CRECIMIENTO DE LOS NITROSOMONAS
Supongamos que el reactor aerobio está dividido en r compartimientos de volúmenes
desiguales; puesto que cada uno debe nitrificar la misma cantidad de NH4, el volumen
de cada uno de los «r» compartimientos será inversamente proporcional a la tasa o
velocidad de crecimiento. La diferencia de concentración del NH4 entre la entrada y
salida de cada compartimiento es idéntica para todos e igual a:
Ni - (Ni - Ne) · R/r
siendo R el rango o número de orden ocupado por el compartimiento, contado en el
sentido del flujo del licor.
Suponiendo una concentración de NH4 en el agua de 40 mg/l y despreciando el NH4 de
la recirculación de fangos, cuyo valor relativo es 1 (100% del caudal), se tendrá Ni = 20
mg/l.
Para una nitrificación completa, la concentración de NH4 en la salida será del orden de 1
mg/l.
La concentración de salida de cada compartimiento resulta entonces:
20 - 19 · R/r
En cada compartimiento, la tasa del crecimiento µ será proporcional a:
µp = (20 - 19 · R/r) / (1 + 20 - 19 · R/r) = (20 - 19 · R/r) / (21 - 19 · R/r) = 1 - 1/(21 - 19
· R/r)
Para r=1: µp = 0,50
Para r = 2: µp primer compartimiento = 0,91
µp segundo compartimiento = 0,50
µp medio = 0,71
En la Tabla 6.5 se dan las velocidades de crecimiento relativas, calculadas para 2, 4, 6 y
10 divisiones del reactor aerobio.
Las medidas del grado de crecimiento de cada uno de los 4 casos considerados se han
ponderado de acuerdo con el volumen teórico de cada compartimiento, inversamente
proporcional a su propia velocidad de crecimiento.
En estos cálculos se trata de compartimientos que producen, teóricamente, mezclas
perfectas.
En la práctica es suficiente considerar, por ejemplo, que el efecto teórico de 6
compartimientos se obtiene con un flujo hidráulico, con una relación longitud/anchura
igual o superior a 20, y dividido en 6 canales.
Tabla 6.5
INFLUENCIA DEL FLUJO HIDRÁULICO SOBRE LA TASA
DE CRECIMIENTO DE LOS NITROSOMONAS
Para conseguir una tasa de crecimiento relativo igual a la unidad es necesario introducir
un factor de seguridad inverso de la velocidad media de crecimiento. Para un flujo
pistón similar al descrito anteriormente, el factor de seguridad Sf1 puede estimarse en
1.25. Por razones económicas no es posible contemplar un flujo del tipo mezcla
integral.
Edad crítica
A partir de ahora, la única tasa o velocidad de crecimiento que utilizaremos es la
máxima, tal como la hemos definido anteriormente, aplicada a los nitrosomonas con la
notación µn.
La edad crítica es la que permite el comienzo de la nitrificación asegurando una
producción de nitrosomonas que sea ligeramente superior a su eliminación, es decir, en
la práctica, que las dos sean iguales.
A) PRODUCCIÓN
Los nitrosomonas son bacterias estrictamente aerobias, y, por lo tanto, su crecimiento se
detiene en los reactores anóxicos o anaerobios. Además del hecho de que la actividad
endógena es muy pequeña, en estos últimos no la tendremos en cuenta a la hora de
calcular la eliminación del nitrógeno y la contaminación carbonada.
Llamaremos fxan a la fracción de fangos del reactor anóxico con relación a la masa total
de fangos: AEROBIA + ANÓXICA.
La producción puede por lo tanto estimarse en:
P = µnT (1 - fxan ) días-1 (40)
Siendo µnT : velocidad de crecimiento de los nitrosomonas a la temperatura T en d-1.
B) ELIMINACIÓN
a) Con los fangos en exceso
Recordemos la definición de edad del fango SRT: «Es la masa total de fangos (aeración
+ anóxico), dividida entre la producción diaria de fangos». Es decir, representa el
tiempo de retención del fango en los reactores biológicos (aerobio y anóxico).
La proporción de la masa de bacterias eliminada diariamente con relación a la masa
total es:
fe = 1/SRT; d-1
b) Por endogénesis
La endogénesis se desarrolla tanto en los reactores aerobios como anóxicos. La
eliminación diaria es:
b = bnT ; d-1
bnT: tasa de endogénesis a la temperatura T
En el equilibrio:
P = fe + b
µnT (1 - fxan) = 1/SRT + bnT
y la edad crítica del fango para conseguir el equilibrio será:
1 / SRTc = µnT (1 - fxan) - bnT (41)
Cuando no hay zona anóxica, al segundo término de la ecuación anterior (fxan = 0)
µnT - bnT
se le denomina tasa de crecimiento relativo.
Como veremos posteriormente, µnT y bnT no varían de la misma forma con la
temperatura, por lo que su reagrupamiento en una única ecuación es sólo una
aproximación.
D) VALORES Y VARIACIONES EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA Y DE LA
ENDOGÉNESIS
a) Velocidad de crecimiento µnT
A pesar de que las condiciones de oxigenación y pH sean las adecuadas, los valores de
µnT a la misma temperatura pueden variar sensiblemente en los resultados obtenidos en
las diversas medidas efectuadas por los investigadores. Esto se debe, principalmente, a
que los sustratos utilizados en las observaciones varían mucho de un agua sintética a un
agua residual natural.
Sin tener en cuenta algunas aguas industriales que pueden contener concentraciones
sensibles de inhibidores, la tasa de crecimiento puede variar de 0,25 a 0,77 d-1 a la
temperatura de 20º C. Para realizar los cálculos en un dimensionamiento práctico, deben
tomarse los valores próximos al mínimo. Sin embargo, hay algunos autores que adoptan
el valor medio, incluyendo la incertidumbre sobre la estimación de la velocidad de
crecimiento en un factor global de seguridad; éste es el caso del Manual of Practice
(Ref. L9).
La casi totalidad de los autores admiten una variación en función de la temperatura de la
forma:
µnT = µn20 · THETA (42)
µnT = crecimiento a la temperatura T.
µnT = crecimiento a la temperatura de referencia 20º C.
T-20
En la literatura consultada, THETA varía ampliamente (de 1,07 a 1,15), lo cual es
bastante, puesto que el exponente puede ser alto. Por ejemplo, 1,0710 vale la mitad que
1,1510.
En el MOP mencionado anteriormente (ref. L9) se da una variación lineal de µ en 2
zonas: entre 10 y 20º C y entre 20 y 30º C. El valor aproximado de THETA corresponde
a 1,07. Indicaremos los valores siguientes:
1. Marais (ref. L1) (absoluto)
µn14 = 0,18; µn20 = 0,36; THETA = 1,123.
2. Manual of Practice: FD-7 de WPCF (Ref. L9, pág. 28) (relativo)
µn14 = 0,22; µn20 = 0,32; con Sf = 2,0; THETA deducido = 1,08 aprox.
3. Manual of Practice n.º 8 de WPCF (Ref. L3, pág. 225) (relativo)
µn14 = 0,16; µn20 = 0,33; THETA = 1,127
Las grandes variaciones de THETA no son muy importantes desde el punto de vista del
dimensionamiento de una instalación, puesto que las temperaturas mínimas varían poco.
En efecto, se considera que garantizar una nitrificación completa por debajo de 12º C no
es práctica económicamente hablando. En el límite superior hay pocas instalaciones
diseñadas para una temperatura superior a 15º C.
La temperatura de referencia de 14 ºC que adoptamos está, por lo tanto, muy próxima a
la temperatura mínima de diseño del proyecto.
Observando los valores propuestos por otros autores (además de los citados), parece
razonable adoptar los propuestos por Marais:
· µn14 = 0,18 d-1
· THETA = 1,123
b) Tasa de endogénesis bnT
Este valor es del orden de 1/5 de µn14 La tasa de endogénesis bn14 ha sido menos
estudiada; en numerosos resultados experimentales la incluyen en el valor de un que
entonces será relativo. El valor bn14 = 0,034 d-1 es representativo de la literatura, y
coincide con el de Marais (Ref. Li, página 17).
Su dependencia con la temperatura es poco conocida y se adopta una ecuación similar a
la de los organismos heterótrofos con THETA = 1,029.
En resumen adoptaremos:
bn14 = 0,034 d
-1
THETA = 1,029
E) INFLUENCIA DE LA FRACCIÓN ANÓXICA DE LOS FANGOS
La ecuación 41 podemos escribirla de la siguiente forma:
1 / SRTc (1 -fxan) = µnT - bnT / (1 - fxan)
Es decir, con los valores adoptados anteriormente (sIMarais):
1 / (SRTc - ( 1 - fxan)) = 0,18 · 1,123T-14 - 0,134 · 1,029T-14 / (1 - fxan) (43)
De donde:
SRTc = 1 / (0,18 · 1,123T-14 (1 - fxan) - 0,034 · 1,029T-14) (44)
Edad mínima
- En régimen constante, debido a que la tasa de crecimiento varia a lo largo del reactor,
hemos visto que es conveniente aplicar un factor de seguridad de 1,25 sobre la edad
crítica del fango.
- En régimen variable, es necesario que la masa nitrificante presente sea capaz de oxidar
el nitrógeno amoniacal (dado normalmente en concentraciones medias sobre 24 horas)
durante las puntas de contaminación. Afortunadamente, estas puntas se atenúan en parte
por los largos períodos de retención, necesarios para los reactores aerobios, y también
por la recirculación de fangos. Parece suficiente un factor de seguridad de 1,20,
teniendo en cuenta que a un aumento de la concentración de NH4 le corresponde un
aumento del factor de crecimiento. Incluso si en los períodos de punta se admite en el
agua tratada una concentración de NH4 de 2 mg/l, en lugar de 1 mg/l, el factor de
crecimiento medio aumenta del orden del 10%.
Los dos factores de seguridad reunidos dan un valor global del orden de 1,5, aplicable a
la edad crítica SRTc, para obtener la edad mínima SRTm, necesaria para conseguir en
continuo una nitrificación completa.
Aplicando este factor a la ecuación 44 obtenemos:
SRTm = 1 / ( 0,11 · 1,123T-14 (1 - fxan) - 0,02 · 1,029T-14) (45)
Nitrificación incontrolada: límites de utilización
Cuando la edad del fango queda comprendida entre el valor mínimo y el critico, la
nitrificación no puede garantizarse en los períodos de punta, al menos de forma
completa. A esta situación la hemos denominado incontrolada.
Debemos recordar que la aplicación de las ecuaciones 44 y 45 presenta cierta
incertidumbre para temperaturas inferiores a 10º C y superiores a 25ºC.
Puede ocurrir que la tasa de crecimiento obtenida de los nitrosomonas, debido a ciertas
circunstancias favorables, sea superior a la estimada, y en consecuencia producirse un
comienzo de nitrificación para edades inferiores a la edad crítica; pero también puede
ocurrir lo contrario.
Tabla 6.6
NITRIFICACIÓN
EDAD MÍNIMA DEL FANGO SRT.
FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA Y DE LA FRACCIÓN
ANÓXICA DE LOS FANGOS fxan
En el gráfico de la Figura 6.3 hemos trazado la recta correspondiente a una tasa de
crecimiento de nitrosomonas que es aproximadamente el doble de la admitida para la
edad crítica, dando por consiguiente una edad de fango mitad.
Influencia de diversos factores en el crecimiento de los nitrosomonas
A) FLUJO HIDRÁULICO
Se ha visto que un flujo en mezcla integral necesita un volumen de depósitos netamente
superior al de un flujo pistón. Sin embargo, este flujo no es fácil de realizar en pequeñas
instalaciones que no llevan más que 1 ó 2 turbinas de aeración, por lo que para estos
casos la solución más frecuente suele ser una aeración prolongada, en la que la edad del
fango es muy superior a la necesaria para la nitrificación, compensándose de esta forma
la deficiencia en el flujo hidráulico.
Los flujos del tipo: Contacto-estabilización no son recomendables, puesto que en el
reactor de estabilización, cuyo volumen puede representar 1 a 2 veces el de contacto, las
bacterias nitrificantes no pueden desarrollarse debido a la falta de NH4 y ausencia del
circuito de recirculación. El único volumen a tener en cuenta es el de «contacto», ya que
el reactor de estabilización realiza un papel nefasto, agravando la endogénesis. Un
estudio piloto (Ref. 104) ha verificado estas conclusiones.
Figura 6.3. Nitrificación. Edad mínima del fango
B) TEMPERATURA
Anteriormente hemos comprobado la gran influencia de la temperatura sobre la cinética
del crecimiento de los nitrosomonas.
Para elegir la temperatura mínima a considerar, es preciso tener en cuenta:
- Principalmente el factor económico, puesto que tratar de obtener una nitrificación
completa para temperaturas inferiores a 12º C nos parece muy poco realista.
- Las variaciones eventuales de carga y estudiar detenidamente la situación más crítica.
Para esto, es suficiente multiplicar, en un cierto período, la edad mínima dada por la
temperatura por el factor de carga recibido por la planta. Ejemplo:
Supongamos una instalación que funciona de la siguiente manera:
Verano: carga 100%, temperatura agua: 18º C
Invierno: carga 20%, temperatura agua: 10º C
Primavera: carga 50%, temperatura agua: 12º C
Se observa que el tercer período es el más desfavorable, puesto que tenemos
sucesivamente:
100 · 6,5 = 650; 20 · 19,5 = 390; 50 · 14,7 = 735
- La inercia del sistema. Una edad del fango de 15 días significa que se necesita ese
tiempo para producir una masa de fangos igual a la almacenada en los reactores. Puede
considerarse que la temperatura mínima de cálculo es el valor medio, calculado durante
las dos semanas más frías del año.
Esta inercia se verifica prácticamente:
· Para el comienzo de la nitrificación en el invierno, a temperaturas próximas a las
mínimas teóricas, son necesarios tiempos muy largos, a veces superiores a dos meses.
· En una instalación en la que la nitrificación funciona correctamente, no disminuirá su
rendimiento hasta que transcurra un largo período a temperaturas inferiores a las
mínimas teóricas.
C) pH y ALCALINIDAD
a) El pH tiene una gran influencia sobre el grado de crecimiento de los nitrobacter y
principalmente sobre los nitrosomonas. El cálculo de esta influencia no es fácil, pues
intervienen numerosos factores;
Figura 6.4. Influencia del pH en lo velocidad de crecimiento de los nitrosomonas en los
fangos activados.
la figura 6.4 muestra cuatro resultados de ensayos. Se nota que difieren sensiblemente,
pero puede llegarse a una conclusión muy importante: «Es imprescindible mantener en
el licor un pH mínimo de 7,5». Por debajo de este valor la velocidad de crecimiento baja
netamente: a pH 7,0 es ya del 20 al 50%.
b) La alcalinidad influye en el pH, así como el CO2 libre, pero de una manera menos
sensible. La Figura 6.5 muestra las relaciones entre estos tres factores: La concentración
de equilibrio con la atmósfera del CO2 disuelto es de 0,6 mg/l, es decir 1,36 mg/l en
CaCO3; teniendo en cuenta el efecto de stripping, debido a la agitación del depósito, el
contenido en CO2 del licor no sobrepasa 2 / 5 mg/l (en CaCO3). Para mantener el pH de
7,5 que hemos considerado como mínimo a respetar, debe asegurarse una alcalinidad
mínima de 100 mg de CaCO3, es decir, l0º F de TAC.
c) Variaciones de alcalinidad en el licor. La eliminación de la materia orgánica produce
CO2, pero también puede hacer subir la alcalinidad por destrucción de los ácidos
volátiles. Sin embargo, la influencia preponderante es la de la nitrificación-
desnitrificación: la primera consume alcalinidad y la segunda produce una recuperación
parcial (Ref. LiS, págs. 100 y 116):
Figura 6.5. Relación: Alcalinidady pH. (Ref: Morois L1-5.7.)
- La nitrificación consume:
6,5 g en CaCO3/g de N-NO3 producido (valor práctico; siendo el teórico 7,14) (Ver
46A).
- La desnitrificación recupera:
- 3,5 g en CaCO3/g de N-NO3 reducido (ver 46a) (valor teórico 3,57).
d) Debemos tener en cuenta que la alcalinidad del agua residual es igual a la del agua de
alimentación, aumentada entre 100 y 200 mg/l. La alcalinidad resultante es por lo tanto
muy variable; no obstante, podemos considerar que, salvo en casos muy excepcionales,
estará comprendida entre 200 y 400 mg/l de CaCO3.
Ejemplo:
Consideremos un agua residual que contenga 60 mg/l de NTK; el 75 %, es decir, 45
mg/l son nitrificables, y supongamos que se reducen 23 mg/l de nitratos. Tendremos:
- Consumo: 45 · 6,5 = - 293 mg/l
- Recuperación: 23 · 3,5 = + 81 mgIl
- Balance: = - 212 mg/l
Para mantener una alcalinidad residual de 100 mg/l en el licor, es preciso que la del
agua residual sea al menos de 312 mg/l, y de 393 mg/l si no hubiese desnitrificación.
Esto significa que:
- A menudo será necesario una desnitrificación, simplemente para conservar una
alcalinidad suficiente.
- Algunas veces será necesaria una alcalinización; muchos resultados deficientes de
nitrificación pueden explicarse por un déficit en la alcalinidad del agua a tratar.
D) OXÍGENO
La influencia de la concentración de oxígeno del licor sobre el grado de crecimiento
u
es poco conocida, puesto que interviene igualmente la velocidad de difusión a
través de la membrana citoplásmica.
Una concentración de 2 mg/l podemos considerarla como un valor mínimo a respetar en
cualquier punto del reactor; 4 mg/l no mejora la tasa de crecimiento en más de un 10%
(Ref. L15, pág. 87).
nT
E) INHIBIDORES Y TÓXICOS
Como sucede con los organismos heterótrofos, las bacterias nitrificantes son sensibles a
los inhibidores y tóxicos, pero de forma más acusada, debido a que es inferior la
cantidad de especies que producen la nitrificación (véase Eckenfelder Ref. L2, pág. 243,
248 y 249 y Martin Ref. L15, pág. 93).
Producción de fangos
El grado de conversión de las bacterias nitrificantes es muy bajo y poco conocido.
Según diversos autores (Ref. L15, pág. 83), la horquilla de valores es la siguiente:
- Nitrosomonas: 0,05 a 0,13 g MV/g N-HN4
- Nitrobacter: 0,02 a 0,06 g MV/g N-NH4
El valor de 0,15 g MV/g N-NH4 para la suma de los dos, propuesto por Eckenfelder
(Ref. 12, pág. 246), parece suficientemente representativo.
- Para 100 g de DBO eliminada, la producción de fangos en exceso puede estimarse en
68 g MS para SRT = 15 días; a esta DBO se asocian 20 g de N, de los cuales 15 se
nitrifican con una producción de fangos de 2,25 g. Los fangos producidos por la
nitrificación representan por lo tanto el 3,3% de los fangos en exceso, y pueden
despreciarse.
Consumo de oxígeno
Según el cálculo estequiométrico adoptado, las necesidades de oxigeno para la
nitrificación varían de 4,2 a 4,57 g O2/g N-NO3 producido (Ref. L1, pág. 52 y L2, pág.
246). Experimentalmente los valores medios varían de 3,4 a 4,5 (Ref. L12, pág. 95).
Adoptando un valor conservador podemos tomar:
4,6 g oxígeno/g N-NO3 producido (47)
DESNITRIFICACIÓN
Definición, interés y microbiología
A) DEFINICIÓN
La desnitrificación heterótrofa es un proceso respiratorio microbiano que suministra a
los organismos la energía necesaria para su crecimiento; se produce gracias a los nitritos
y nitratos que se reducen a nitrógeno molecular. Este es un gas inerte, que, al contrario
del resto de los compuestos del nitrógeno, no es utilizable para el crecimiento biológico.
Desde el punto de vista ecológico, esta desnitrificación transforma el nitrógeno de
formas perjudiciales a formas aceptables en el ambiente.
La desnitrificación autótrofa, que señalamos como recordatorio, reduce los nitritos y
nitratos utilizando su oxigeno para oxidar el azufre que se transforma en sulfatos. La
reducción de 1 g N-NO3 necesita 2,5 g de azufre y una alcalinidad de 5 g de CaCO3; y
produce 7,5 g de SO4.
Se están realizando estudios sobre estos procesos, que pueden tener un futuro en la
desnitrificación del agua potable.
B) INTERÉS DE LA DESNITRIFICACIÓN
La desnitrificación presenta cinco campos de interés, los dos primeros de los cuales
pueden llegar a ser necesarios:
1. La desnitrificación consigue recuperar una parte de la alcalinidad consumida por la
nitrificación:
3,5 g CaCO3/g N-NO3 reducido.
2. La desnitrificación provocada voluntariamente, y por consiguiente controlada,
disminuye considerablemente los riesgos de la desnitrificación incontrolada que puede
desarrollare en la decantación secundaria (Ref. 55).
3. La desnitrificación recupera una parte del oxígeno consumido por la nitrificación:
2,6 g de O2/g de N-NO3 reducido.
4. Un reactor anóxico en cabeza de la aeración baja el I.M. y mejora la sedimentabilidad
de los fangos (Ref. 20).
5. Un reactor anóxico en cabeza favorece la asimilación del fósforo en los fangos
activados y disminuye su concentración en el agua tratada.
C) MICROBIOLOGÍA (Ref. L15)
Una veintena de especies aerobias facultativas, pero sin poder fermentable, tienen
capacidad para producir la desnitrificación. Esto significa que pueden crecer en medio
aireado o anóxico, pero no en medio anaerobio. Recordemos que anoxia significa sin
oxígeno disuelto, pero con nitratos y/o nitritos, y anaerobia sin ninguno de ellos.
Los términos aerobio y anaerobio se utilizan como adjetivos: los sustantivos
correspondientes serían aerobiosis y anaerobiosis.
Contrariamente al pequeño número de especies nitrificantes, el de desnitrificantes es
mucho mayor. De ahí que resulten más aptas para su aclimatación y, por consiguiente,
tengan una mejor resistencia a las agresiones del medio ambiente.
Equivalente en oxígeno de los nitratos y necesidades de carbono
A) EQUIVALENTE EN OXÍGENO
La comparación entre las cantidades de oxigeno suministradas por los nitratos y el
oxigeno la hacemos con relación a la transferencia de un equivalente en electrones. Se
tiene (Ref. L15, pág. 111):
NO3- + 6 H3O+ + 5 e- -> 1/2 N2 + 9 H2O
1/2 O2 + 2 H3O+ + 2 e- -> 3 H2O
Para obtener 5 electrones se precisan por lo tanto: 1 NO3 ó 5/2 O2; es decir, 1 NO3
corresponde a 5/2 O2, o a 1 g de N-NO3 corresponden:
2,5 ·16 / 14 = 2,86 g de oxígeno
B) NECESIDADES DE CARBONO
La asimilación de 1 g de DBO5 necesita 0,618 de oxígeno. Por lo tanto, para reducir 1 g
de N-NO3 se necesitan:
Oxigeno 2,86 / 0,618 = 4,6 g de DBO5
Este valor está confirmado por los resultados experimentales: cuando el tiempo no es
limitante para conseguir una concentración de nitratos inferior a 2 mg/l, es preciso un
mínimo de 8 g de DQO soluble/g N-NO3 reducido (Ref. L9, pág. 82).
Se puede considerar:
DQO soluble/DBO5 = 1,67/0,9 = 1,86, es decir, unas necesidades de 4,3 g DBO5/g NNO3.
En la literatura, el intervalo de valores se sitúa entre 4,0 y 6,0.
Cinéticas
Mientras la desnitrificación exógena utiliza un sustrato externo, la desnitrificación
endógena recurre a las reservas celulares como sustrato interno.
A) DESNITRIFICACIÓN EXÓGENA
Para esta desnitrificación, Marais (Ref. L1, págs. 6-8) considera una doble cinética
correspondiente a dos degradabilidades diferentes del agua residual.
a) DBO rápidamente biodegradable, DBO5r, sobre todo para los ácidos volátiles y
azúcares. En forma soluble tiene una cinética de asimilación muy rápida: representa
aproximadamente el 22% de DBO5 del agua bruta y el 33 % de la del agua decantada;
pero la banda de variación es bastante amplia. Esa DBO5 será consumida en el reactor
biológico anóxico por el aporte de oxígeno parásito de las recirculaciones.
b) DBO lentamente degradable, DBO5l, está compuesta por el resto de la fracción
soluble y de las materias en suspensión no sedimentables, las cuales, precisamente,
deben solubilizarse.
A estas dos fracciones de DBO corresponden dos velocidades de desnitrificación.
· k1 o de primera cinética, para la DBO rápidamente degradable.
· k2 o de segunda cinética, para la DBO lentamente degradable.
La velocidad de desnitrificación la expresamos en g de N-NO3 reducido por g de masa
activa y por día. La mayoría de los valores de la literatura se refieren a la masa volátil y
algunas veces a la masa total de fangos.
La cinética de desnitrificación puede escribirse:
N-NO3r = k · MSA · fa · t (48)
Siendo:
N-NO3r: concentración de nitratos reducida en la cuba de anoxia, mg/l.
k : tasa de desnitrificación (k1 o k2), g de N-NO3r/g de masa activa y día.
fa : fracción activa de los fangos.
t : tiempo de retención en el reactor anóxico, en días.
B) ESTUDIO DE LAS DOS CINÉTICAS DE DESNITRIFICACIÓN EXÓGENA
a) Primera cinética. Debido a su alta velocidad de desnitrificación, esta cinética es muy
rápida y, en general, dura de 30 a 70 minutos; con tiempos normales de retención se
elimina la totalidad de la DBO5r.
Constituye esta última, en la mayoría de los casos, el factor limitante. Por lo tanto, se
podrá reducir:
N-NO3 r1 = DBO5r/4,6 mg/l
Sin embargo, como veremos a continuación, es necesario contar con un consumo del
orden de 10 mg/l de DBO5 por oxigenaciones parásitas. Si llamamos fr a la fracción de
DBO5 soluble (DBO5d), rápidamente degradable, la expresión anterior la podemos
escribir:
N - NO3 r1 = (DBO5d · fr - 10)14,6 (49)
Utilizando la relación 48, podemos calcular el tiempo necesario para esta cinética:
t1 = N-NO3 r1/k1 MSA fa (50)
Adoptaremos el valor de la velocidad de desnitrificación dado por Marais, puesto que es
el único investigador que ha definido correctamente esta cinética (Ref. L1, págs. 6-8).
k1T = 0,241 · 1,10 (51)
T-14
El valor de THETA 1,10 es más próximo a los datos de la literatura (media de .9
observaciones) que el de 1,20 dado por Marais.
b) Segunda cinética. Para esta segunda cinética, Marais propone para k2T:
k2T = 0,0636 · 1,10
T-14
(52)
Es más lenta que la precedente, y en la mayoría de los casos el factor limitante es el
mismo tiempo. La reducción de concentración del N-NO3 será:
N-NO3 r2 = k2T · MSA · fa · t (53)
Se puede igualmente calcular el tiempo en función de la concentración en nitratos:
t2 = N-NO3 r2/k2T · MSA · fa · t
En los dos casos es necesario comprobar que la concentración de DBO5d es suficiente
para alcanzar el objetivo de la reducción. Si esto no ocurre, la DBO5d será el factor
limitante y nos dará la concentración de N-NO3 que es posible reducir.
C) CONSUMOS PARÁSITOS DE DBO
La DBO5 disponible es la DBO5 del agua decantada, disminuida en el consumo debido
al aporte de oxígeno parásito, producido por las recirculaciones de fangos o del licor. En
el primer caso puede admitirse 1 mg/1, y en el segundo 2 mg/l.
El agua decantada puede también aportar oxígeno: 1 mg/l. Si llamamos «R» al valor
relativo de la recirculación de fangos y «A» a la del licor, el aporte de oxígeno será:
(1 + R + 2A) mg/l de O2 (54)
La DBO5 consumida será por consiguiente:
1,62 (1 + R + 2A) mg/l
En los casos normales: R = 1; A = 2 y la DBO5 consumida será del orden de 10 mg/l.
Este valor es aproximado, pero a falta de datos reales, podemos utilizarlo en los
cálculos.
D) OBSERVACIONES SOBRE LA ELECCIÓN DE LAS CINÉTICAS DE
DESNITRIFICACIÓN
Es interesante comparar las velocidades de desnitrificación adoptadas anteriormente con
las propuestas en el MOP-FD7 Nutrient control (ref. L9), que está considerado como
una autoridad en la materia. Para que las velocidades se expresen con los mismos
parámetros, hemos supuesto que la fracción activa de las materias volátiles MSAv es de
0,40.
Los valores del MOP reagrupan las dos cinéticas en una, y debido a esto, son
intermedias entre las de las dos cinéticas de Marais. Con rendimientos de
desnitrificación del 60 al 70% se puede estimar que las fracciones debidas a cada una de
las cinéticas son del mismo orden de magnitud. La curva del MOP para sólo una etapa
de tratamiento se sitúa cerca de la media de M1 y M2.
El MOP aporta indirectamente un argumento para el cálculo de la desnitrificación, al
utilizar la estimación de la masa activa de los fangos activados. Según nuestro sistema
de cálculo, podemos estimar, para una edad de 20 días, la masa volátil de los fangos
activados producidos por la eliminación de 1 g de DBO5.
Se observa pues que la fracción activa de los fangos en exceso, producidos a partir del
agua bruta, representa el 81 % de la producida por el agua decantada, y esto para una
masa idéntica de MSAv. Ahora bien, el MP-FD7 mencionado anteriormente (Ref. L9,
pág. 88) recomienda adoptar, en caso de ausencia de decantación primaria, una tasa de
desnitrificación igual al 80% de la adoptada al haber decantación previa.
En lo concerniente a la primera cinética, el mismo manual da algunos valores de la tasa
de desnitrificación para aguas residuales de la industria agroalimentaria (pág. 80). La
casi totalidad de las indicadas, es decir 12 casos, dan velocidades de 0,16 a 0,33 g NNO3/g MV/día para temperaturas de 18 a 2Oº C. Para estas temperaturas, k1 es
aproximadamente 0,16, es decir, igual o inferior a los valores experimentales, con lo
que quedan confirmados los valores adoptados.
E) DESNITRIFICACIÓN ENDÓGENA
Si situamos un reactor anóxico a continuación de la cuba de aeración debido a que a la
salida de ésta no hay apenas carbono libre en forma contaminante, el único consumo de
oxígeno es debido a la autodestrucción de las células por endogénesis.
Esta desnitrificación endógena necesita un conjunto de dos reactores suplementarios,
primero uno anóxico y a continuación otro aerobio, para asegurar que el licor que entra
al decantador secundario está suficientemente oxigenado.
La lentitud de esta cinética limita el uso de la desnitrificación endógena a un tratamiento
de afino. En caso de altas exigencias en la calidad del agua tratada se puede adoptar:
k3T = 0,034 · 1,029 (55)
T-14
Figura 6.6. Desnitrificación exógena. Comparación (le las cinéticas.
El valor 0,034 adoptado en la ecuación anterior está muy próximo a los del MOP.FD7
(Ref. LI, pág. 78); el valor propuesto por Marais de 0,06 nos parece demasiado
optimista para los cálculos.
F) FACTORES QUE AFECTAN A LA CINÉTICA DE DESNITRIFICACIÓN
a) Concentración de nitratos. Las constantes de semisaturación relativas al nitrógeno
son muy pequeñas, inferiores a 0,2 mg/l de N. En consecuencia, el grado de crecimiento
de las bacterias desnitrificantes no disminuye con el contenido en nitratos.
b) Concentración de oxígeno. La determinación de la concentración máxima de
oxígeno, por encima de la cual puede comenzar la inhibición, es difícil de realizar, y los
resultados son casi contradictorios, pues se encuentran valores desde 0,2 a 9,5 mgIl.
De todas formas, este valor límite no tiene importancia, puesto que el oxígeno se limita
siempre al valor minino posible para no consumir inútilmente contaminación carbonada,
que en la mayoría de los casos es limitante del proceso de desnitrificacion.
c) pH. El pH óptimo es cercano al de la nitrificación, es decir, entre 7,5 y 9,0.
d) Inhibidores y tóxicos. Las bacterias desnitrificantes también son sensibles, como
todos los organismos heterótrofos, pero hay pocos estudios sobre este aspecto.
Circuitos de desnitrificación
A) CIRCUITO WUHRMANN
El circuito Wuhrmann tan sólo presenta un interés histórico, puesto que fue uno de los
primeros en utilizarse.
No es competitivo, ya que solamente utiliza la desnitrificación endógena con un reactor
situado entre aeración y decantación secundaria.
B) CIRCUITO LUDZACK-ETTINGER (modificado)
Un reactor anóxico se coloca aguas arriba del aerobio, recibiendo el caudal de agua a
tratar y la recirculación de fangos; éstos arrastran los nitratos a reducir formados en el
reactor aerobio. Debido a que hidráulicamente la recirculación de fangos no debe ser
superior a 1, solamente se trataba el 50% de los nitratos. Esto era en el primitivo
circuito L-E.
En el circuito L-E modificado se añade una recirculación de licor desde aguas abajo del
reactor aerobio hasta la cabeza del reactor anóxico, aumentando así la masa de nitratos
que puede reducirse.
C) CIRCUITO BARDENPHO
En 1973, con objeto de mejorar el proceso de desnitrificación, Barnard tuvo la idea de
añadir un segundo reactor anóxico a la salida de la cuba de aeración, funcionando en
desnitrificación endógena. Antes de entrar en la decantación secundaria, otro pequeño
depósito de aeración restablece las condiciones de aerobiosis.
D) SISTEMAS DE CIRCULACIÓN
En este tipo de circuitos, el licor circula de continuo en los depósitos con un caudal que
presenta varias veces el del agua a tratar y recirculación
(del orden de 50 a 70 veces el conjunto de los dos). La aeración se hace en uno o dos
puntos del circuito del licor, muy aireado debido al enorme caudal de recirculación; al
alejarse el flujo del punto de inyección de aire, disminuye el oxígeno, y el licor
permanece en anoxia un cierto tiempo hasta que vuelve a pasar por el punto de
oxigenación.
Estos sistemas sencillos se adaptan bien a las pequeñas instalaciones del tipo «canales
de oxidación». El «ORBAL» (Ref. 114) y el «CARRUSEL» también se pueden utilizar
en grandes instalaciones, pero en todos los casos se presenta la dificultad de conseguir
una zona anóxica bien definida.
E) CIRCUITOS CON DEPÓSITOS ALTERNATIVOS
Modificando los circuitos del licor, se consigue que éste pase alternativamente de
condiciones aerobias a anóxicas; los sistemas de oxigenación producen,
simultáneamente, la aeración y la agitación del licor. Estos sistemas se reservan sólo a
pequeñas instalaciones (Ref. 109).
Recirculaciones
La recirculación de fangos R se limita, generalmente, al 100% del caudal medio. Por
encima de este valor, se produce un aumento en la carga de materias en suspensión, que
recibe el clarificador secundario y que puede perturbar la sedimentabilidad. A
continuación veremos que, en este caso, la desnitrificación se limita el 50%, que con
frecuencia puede ser suficiente.
Si queremos obtener una desnitrificación superior, se recurre a una recirculación
auxiliar o aneja «A». Esta recirculación conduce, a cabeza del reactor anóxico, licor
tomado a la salida del reactor aerobio, que por lo tanto estará nitrificado.
Suponiendo que a la salida del reactor anóxico no existan nitratos, y despreciando los
contenidos en el agua a tratar (bruta o decantada), podemos expresar el rendimiento de
la desnitrificación por:
Rdn = NO3r / NO3p
Siendo:
NO3r: nitratos reducidos en mg/l.
NO3p: nitratos producidos en mg/l.
Figura 6.7. Circuitos de desnitrificaciónn. (Se respebo los tamaños relativos de los
reactores.)
Estableciendo un balance de masas en el reactor anóxico:
- Nitratos reducidos: (1 + R + A) NO3 r.
- Nitratos producidos: (R + A) NO3p
(1 + R + A) NO3r = (R + A) NO3p
Rdn = (R+A) / (R+A+1) (56)
o también:
R+A= Rdn / (1 - Rdn) (57)
La recirculación auxiliar «A» no debe sobrepasar el 300% por dos razones:
a) Una elevada recirculación reduce el efecto pistón del flujo hidráulico de licor, y
puede producir una influencia nefasta sobre la nitrificación.
b) Cuanto más alta es la recirculación, mayor es el riesgo de introducir oxígeno parásito
en el reactor por aumento de la turbulencia del flujo.
Por lo tanto, se deduce que el circuito L-E, desde el punto de vista de la recirculación,
tiene un límite práctico de desnitrificación de:
Rdn = [ (1 + 3) / (1 + 3 + 1) ] x 100 = 80%
Para aumentar el rendimiento, el circuito L-E debe completarse con un reactor anóxico
endógeno y formar un circuito Bardenpho que puede conseguir rendimientos del 90 al
95%.
Deben tomarse toda clase de precauciones para limitar al mínimo la introducción de
oxigeno. En especial, deben utilizarse bombas verticales o sumergibles, en lugar de
tornillos de Arquímedes, para realizar las recirculaciones.
Recuperación de oxígeno
Hemos visto en la página 113, que el equivalente oxigeno de los nitratos era:
2,86 g de O2/g de NO3 reducido.
También, en la página 112, se ha determinado que las necesidades de oxígeno de la
nitrificación eran:
4,6 g de O2/g de NO3 reducido.
Por lo tanto, una simple desnitrificación rápida (de 1 a 1,5 h de retención), que reducirá
aproximadamente del 35 al 40% de los nitratos, nos permite recuperar del orden del 20
al 25 % del oxígeno necesario para la nitrificación. Además, el equipo de aeración no
tiene que suministrar oxigeno en cabeza de la instalación, puesto que el reactor anóxico
se encarga de eliminar la DBO rápidamente biodegradable, que a su vez es la
responsable de la fuerte demanda de oxigeno en cabeza de la instalación.
Desnitrificación rápida
La desnitrificación rápida consiste en utilizar toda la DBO rápidamente degradable y no
prolongar más la anoxia, con objeto de conseguir la mejor relación eficacia-volumen de
anoxia.
Como orden de magnitud, podemos considerar el efecto de las desnitrificaciones
siguientes:
Se comprueba que con 1 hora de anoxia se consigue una reducción apreciable, con un
gasto de inversión poco importante. Los cálculos anteriores se basan en una temperatura
de 14º C. Una reducción del 35 al 45 % puede considerarse normal. Puede conseguirse
mejor rendimiento si la fracción rápidamente biodegradable de la DBO es superior, o
por el contrario disminuir si ésta es inferior al valor del 33 % de la DBO5d considerada
como normal.
Estudios realizados en Gran Bretaña anuncian el 50% de eliminación con 1 hora de
retención, lo cual sólo es posible si la relación NTK/DBO es claramente inferior a 0,20.
Siempre que la eliminación de nitratos sea inferior al 50%, no es necesaria la
recirculación auxiliar, siendo suficiente el circuito L-E sin modificación.
Influencia de la zona anóxica en la sedimentabilidad de los fangos y la decantación
secundarias
En el Capítulo 6, pág. 96, hemos señalado las ventajas de la desnitrificación sobre los
dos puntos siguientes, que a continuación estudiaremos con detalle.
A) ÍNDICE DE MOHLMANN
Diversos estudios pilotos y en estaciones de WRC en Gran Bretaña (Ref. 20) muestran
claramente que la introducción de un reactor anóxico mejora sensiblemente el índice de
fangos I.M. Las explicaciones dadas para justificar este hecho son bastante menos claras
que los propios resultados.
Según algunos autores, el reactor anóxico (que también podría ser aireado) funciona
como un selector de microorganismos. De hecho, funciona en alta carga másica, y por
lo tanto, dificulta el crecimiento de las bacterias filamentosas. Estas últimas no tienen
capacidad de almacenar sustrato, al contrario que las demás heterótrofas.
Para otros, los organismos filamentosos son aerobios estrictos y, como en el reactor
anóxico se encuentran en condiciones desfavorables de desarrollo, no son capaces de
asimilar la DBO rápidamente biodegradable.
B) DECANTACIÓN SECUNDARIA
Una elevada concentración de nitratos en el licor a decantar supone una desnitrificación
en el decantador; al principio, el nitrógeno gaseoso formado se disuelve en el líquido,
pero a partir de una cierta concentración se desprende en forma de burbujas finas que
producen un efecto de flotación sobre los fangos, por lo que se da un aumento de las
MS del agua tratada.
Cuanto más alta sea la concentración en nitratos, mayor será la desgasificación del
nitrógeno, y, por lo tanto, también aumentará la flotación de los fangos.
En una instalación de Gran Bretaña, Crabtree (Ref. 55), se estableció una excelente
correlación entre las MS del agua tratada y la concentración en nitratos del licor a la
entrada del decantador secundario. Para conseguir una concentración media de MS de
20 mg/l, el contenido de N-NO3 no debe superar los 17 mg/l. De todas formas, este
ejemplo se refiere a un caso particular, y los valores indicados deben considerarse
relativos.
Reactor anóxico
A) FLUJO HIDRÁULICO
Con relación a los nitratos, la desnitrificación es una reacción de orden cero, es decir,
que la concentración de éstos no influye en la cinética. El flujo del licor puede tender a
pistón o a mezcla integral.
Para la puesta en marcha, o en casos de problemas particulares de funcionamiento, es
deseable, para conseguir una buena flexibilidad de funcionamiento:
- Dividir el reactor en varias células.
- Equiparlo como reactor mixto, con posibilidad de funcionar en aerobiosis o en anoxia,
incluso prever la posibilidad de by-pass.
B) AGITACIÓN
Como es necesario conseguir una buena homogeneización del reactor, se deben instalar
agitadores de fondo.
Es suficiente una potencia específica de 10 W/m3. Valores mayores pueden producir
remolinos en la superficie, con el riesgo de introducir oxígeno.
NÚMERO DE ETAPAS EN EL PROCESO NITRIFICACIÓNDESNITRIFICACIÓN
Hasta este momento hemos considerado que el proceso nitrificación-desnitrificación se
efectuaba en una sola etapa de tratamiento biológico, en la cual se eliminaban a la vez
las contaminaciones debidas al carbono y al nitrógeno. Sin embargo, es factible
funcionar en dos etapas: la primera a media o fuerte carga, para eliminar principalmente
la materia carbonada (DBO), y la segunda para eliminar el NTK (nitrificación).
Para comparar los dos sistemas o posibilidades, es necesario fijar en los dos casos si se
desnitrifica o no. En efecto, con el sistema de dos etapas, la DBO5 se elimina
prácticamente en la primera fase, y la desnitrificación tiene que efectuarse forzosamente
por endogénesis.
A) SIN DESNITRIFICACIÓN
Denominaremos por 2E dos etapas; y 1E, 1 etapa.
- Construcción. A pesar de una cierta ganancia sobre el volumen total de aeración, la
decantación secundaria suplementaria hace que 2E sea más costosa que 1E.
- Consumo energético. Con 2E, los fangos en exceso están menos estabilizados y el
gasto global de energía es menor que con 1E.
- Tratamiento de fangos sin digestión anaerobia. 1E produce menos fangos, que además
están más estabilizados.
- Tratamiento de fangos con digestión anaerobia. 2E produce más fangos que contienen
más materias volátiles y, por lo tanto, se obtiene mayor producción de gas, pero a costa
de un mayor volumen de digestión.
- Explotación. 2E es más compleja, ya que puede producir fangos ligeros que conllevará
problemas de decantación secundaria.
B) CON DESNITRIFICACIÓN DEL 60 AL 70%
- Reactores. Si no es posible recurrir a una fuente de materia orgánica exterior, la
desnitrificación endógena necesita para 2E un volumen de reactor demasiado grande
para que sea económicamente factible.
- Energía. La desnitrificación con 2E, en lugar de recuperar oxígeno; obliga a un gasto
de metanol u otra fuente exterior.
CONCLUSIÓN
El sistema de dos etapas puede presentar un cierto interés, si no es necesario realizar
desnitrificación.
VOLÚMENES DE LOS REACTORES ANÓXICO Y AEROBIO
Concentración del licor
La utilización de edades del fango relativamente altas, del orden de 12 a 20 días, y la
presencia de una zona anóxica en cabeza, constituyen factores favorables para conseguir
índices de fangos I.M. más estables y más bajos que en una instalación de media carga
convencional.
Se puede admitir un valor de 150 cm3/g para el I.M. de base de los cálculos. Con este
valor se pueden estimar concentraciones en los fangos recirculados de 8 g/l; con una
recirculación del 100%, la concentración MSA del reactor biológico puede ser:
MSA = 4 g/l
Edad del fango. Volumen total
A partir de la temperatura de diseño y de una fracción anóxica estimada para los fangos,
se calcula la edad del fango SRT (ver Tabla 6.5).
Para facilitar esta estimación previa, se recomienda utilizar:
- Para desnitrificación del 40%: fxan = 0,2
- Para desnitrificación del 50%: fxan = 0,3
Con esta edad del fango calculamos la producción específica de fangos (Tabla 2) por kg
de DBO5 eliminada. Conociendo la cantidad diaria de DBO5 a eliminar, se determina la
masa total de fangos necesaria, la cual, dividida entre la concentración de MSA
adoptada, nos proporciona el volumen total de los reactores.
Volumen del reactor anóxico
A) DESNITRIFICACIÓN MÁXIMA, NO LIMITADA POR LA DBO5 DISPONIBLE
Sabemos que las concentraciones parásitas de oxígeno en el agua decantada y en las
recirculaciones producen un consumo de DBO5 del orden de 10 mg/l.
Si llamamos DBO5d a la DBO5 del agua decantada, la concentración de nitratos que es
posible desnitrificar sin limitación de tiempo es:
N-NO3r = (DBO5d - 10)/4,6
B) POTENCIAL DE NITRIFICACIÓN N-NO3p
En la página 98 comprobamos que una nitrificación completa puede nitrificar del 61 al
75 % de NTK de agua bruta, pero en cada caso debe efectuarse el cálculo completo.
C) RENDIMIENTO DE DESNITRIFICACIÓN
a) La DBO5 será limitante cuando el potencial de nitrificación sea superior a las
posibilidades de la DBO5:
N-NO3p > (DBO5d - 10)/4,6
En este caso, el rendimiento máximo posible es:
Rdn = (DBO5d - 10)/(4,6 · N-NOBO3p)
b) La DBO5 no es limitante. El rendimiento puede fijarse en este caso:
- Por la reglamentación medioambiental.
- Si no hay limitación del vertido con nitratos, puede necesitarse una cierta eliminación
de los mismos por facilidad o necesidad del tratamiento biológico, como por ejemplo la
recuperación de la alcalinidad, mejora de la decantabilidad, etc. (pág 96). En estos casos
se fija un tiempo nominal de anoxia de 1 hora y se calcula la cantidad de nitratos que se
pueden reducir.
D) REDUCCIÓN POR LA PRIMERA CINÉTICA
Las posibilidades de reducción eran:
N-NO3r1 = (DOB5 · fr - 10)/4,6 (49)
El tiempo de retención para esta cinética es:
t1 = N-NO3r1/k1 · MSA · fa (50)
E) REDUCCIÓN POR LA SEGUNDA CINÉTICA
Con el rendimiento necesario determinaremos la concentración de N-NO3 a reducir:
N-NO3r2 = N-NO3p · Rdn - N-NO3r1
El tiempo de retención correspondiente será:
t2 = N-NO3r2/k2T · MSA · fa (58)
F) VOLUMEN NECESARIO
Es evidente que siendo t2 superior a t1 será t2 el que determine el volumen.
A continuación se comprueba que la fracción anóxica estimada al principio coincide
aproximadamente con la obtenida con la ecuación 58; en caso contrario hay que hacer
un segundo cálculo.
Volumen del reactor aerobio
Se calcula simplemente restando del total el volumen del reactor anóxico.
RENDIMIENTO POSIBLE DE LA DESNITRIFICACIÓN EN FUNCIÓN DE LA
DBO5. FORMULA SIMPLIFICADA
Para estudiar rápidamente un problema de desnitrificación, hemos establecido una
fórmula simplificada basada únicamente en la relación NTK/ DBO5; para el caso del
agua bruta, la relación anterior la expresamos como:
Nb = NTKb/DBO5b
Para simplificar, hacemos abstracción del posible oxígeno disuelto en el agua decantada
y las recirculaciones.
Admitiremos un potencial de nitrificación del 72 % y un rendimiento de la decantación
primaria del 33 % sobre la DBO5. En estas condiciones tendremos:
· DBO5 disponible: DBO5b · 0,66
· Nitratos reducibles: DBO5b · 0,66/4,6
- Potencial de nitrificación:
NTKb · 0,72 = NB · DBO5b · 0,72
- Rendimiento posible con decantación primaria:
Rdn = (DBO5b · 0,66/4,6) / (NB · DBO5b · 0,72)
- Rendimiento posible sin decantación primaria:
RDN = (DBO5b/4,6) / (NB · DBO5b · 0,72) = 0,30/NB
Estos valores se representan en el gráfico de la Figura 6.8, el cual nos permite:
- Conocer los límites de desnitrificación debidos a la DBO5 del agua bruta. Para aguas
con concentraciones normales de NTK, es decir, para NB comprendido entre 0,15 y
0,25, la limitación sólo aparece a partir de rendimientos superiores al 88 %.
- Prever el tipo de circuito a utilizar en función de los resultados deseados: L-E; L-E
modificado; Bardenpho.
Figura 6.8. Rendimiento máximo de desnitrificoeián. Función de lo DBO5 del agua
bruta.
NITRIFICACIÓN-DESNITRIFICACIÓN SIN DECANTACIÓN PRIMARIA
En todo lo precedente, con objeto de simplificar, hemos supuesto siempre la existencia
de una decantación primaria, que es el caso más frecuente. La supresión de esta
decantación sólo la consideramos factible en dos casos:
1. Cuando se quiere realizar una estabilización aerobia de los fangos conjuntamente con
el tratamiento del agua (aeración prolongada). En este caso, la edad del fango necesaria,
de 20 a 30 días, es superior al mínimo necesario para la nitrificación.
2. Si la DBO5d del agua decantada es insuficiente para asegurar un rendimiento de
desnitrificación imperativo.
Debemos tener en cuenta las implicaciones que supone la supresión de la decantación
primaria, la cual presenta los siguientes inconvenientes:
a) La edad del fango necesaria es la misma con o sin decantación primaria, por ejemplo
15 días; sin embargo, la producción específica de fangos pasa de 0,68 a 0,92 g MS/g
DBO5, es decir, aumenta en un 35 %.
b) La DBO5 a tratar sin decantación primaria es 1,5 veces la resultante de una
decantación.
c) Como consecuencia de a) y b), la masa de fangos a mantener en los reactores se
multiplica por: 1,35 · 1,5 = 2,02, es decir prácticamente el doble, lo que conduce a un
doble volumen de tanques.
d) La disminución del índice de Mohlmann permite trabajar con una concentración de 5
g/l. A pesar de este aspecto, el volumen de los reactores debe multiplicarse por 1,6.
e) El consumo de oxígeno para eliminar la DBO5 aumenta en un 50%.
f) Al mejorar el I.M., los fangos son más pesados y la potencia específica mínima de
agitación también debe elevarse, del orden de un 50%.
g) En definitiva, el consumo de energía aumenta aproximadamente en un 30% y el
volumen de los depósitos el 60%, con lo cual la potencia específica disminuye y la
potencia instalada viene determinada por condiciones de agitación y no por la
oxigenación.
h) Además, los fangos primarios frescos se espesan y deshidratan sin dificultad, al
contrario que los fangos en exceso de un tratamiento sin decantación primaria.
OXIGENACIÓN
Necesidades medias de oxígeno
En la página 112 habíamos calculado las necesidades de oxigenación, las cuales
repetimos como recordatorio:
4,6 g O2/g de N-NO3 producido.
La recuperación posible es: (pág. 113)
2,86 g O2/g de N-NO3 reducido.
Estas necesidades, sumadas a las de la eliminación de la DBO5, nos proporcionan las
necesidades medias totales.
Necesidades en punta
Teóricamente deberíamos considerar dos casos: con y sin desnitrificación. Como este
último caso es excepcional, no lo estudiaremos.
La DBO5 rápidamente degradable es la causa de la alta demanda de oxígeno en cabeza
de un flujo pistón. Ahora bien, esta fracción de la DBO5 es totalmente degradable en el
reactor anóxico, suprimiéndose de esta forma la causa principal de esta alta demanda.
En el reactor aerobio, a lo largo del recorrido del licor, la demanda de oxígeno varía
poco; se puede, eventualmente, y por seguridad, reforzar del 15 al 20% la oxigenación
del primer cuarto del recorrido.
Concentraciones de oxígeno
Las bacterias nitrificantes son más sensibles que las heterótrofas frente a la falta de
oxigeno, por lo que se debe mantener una concentración mínima de 2 a 3 mg/l.
EJEMPLO
Datos base
- N.º de habitantes .............120.000
- Dotación ............................250 l/h día
- DBO5 .................................75 g/h día
- NTK ..................................15 g/h día
- MS ....................................90 g/h día
CONCENTRACIONES
- DBO5 ...............................300 mg/l
- MS ..................................360 mg/l
- NTK ..................................60 mg/l
RENDIMIENTOS DE LA DECANTACIÓN PRIMARIA
- DBO5 .................................33%
- MS ....................................60%
CAUDALES
- Diario ...........................30.000 m3/día
- Medio .............................1.250m3/h
- Punta tiempo seco ....................1,6
CONCENTRACIONES MÁXIMAS ADMISIBLES
- N-NH4 ...............................2 mg/l
- N-NO3 ..............................17 mg/l
- Temperatura mínima de diseño ..13º C
- Concentración en MSA .............4 g/l
- Tratamiento de fangos .............sin digestión anaerobia
Volumen de los reactores
A) VOLUMEN TOTAL
- Preestimación de la fracción anóxica de los fangos:
fxan = 0,30
Edad del fango para nitrificación completa:
(s/Tabla 6.5; Figura 6.3)
para T = 13º C; SRT13 = 20,2 días.
- Producción específica de fangos:
· Con agua decantada: 0,65 g MS/g DBO5d.
- Concentración en DBO5d:
300 · 0,66 = 200 mg/l.
- Masa de DBO5 a tratar:
0,2 · 30.000 = 6.000 kg/día.
- Producción de fangos en exceso:
0,65 · 6.000 = 3,900 kg/día.
- Masa de MS en los reactores:
3.900 · 20,2 = 78.780 kg.
- Volumen total de los reactores:
VT = 78.780 / 4,0 = 19.695 m3.
- Carga másica de trabajo:
6.000 / 78.780 = 0,076 kg DBO5/kg MS día.
-- Tiempo de retención hidráulico:
19.695 / 1.250 = 15,8 horas.
B) VOLUMEN DEL REACTOR ANOXICO
- Nitratos reducibles con la DBO disponible:
· DBO5d agua decantada..................... 200 mg/l
· DBO5 disponible: 200 - 10................ 190 mg/l
· Nitratos reducibles: 190/4,6................. 41 mg/l
- Potencial de nitrificación:
· NTK agua bruta............................... 60 mg/l
· NTK agua decantada....................... + 54 mg/l
· NTK agua tratada............................... 4 mg/l
· NTK de los fangos: (siFigura 6.2 o Tabla 6.1) sin digestión: SRT = 20 días
4,3 ·200 / 100 aprox. igual -9 mg/l
· Potencial de nitrificación: 54 - 4 - 9 = 41 mg/l
- Rendimiento de desnitrificación:
· Máximo permitido por laDBO5: 41/41 = 100%
· N-NO3 máximo admisible: 17 mg/l
· N-NO3 a reducir: 24 mg/l
· Rendimiento necesario: 24/41 = 58,5%
- Desnitrificación de primera cinética:
· k1,13 = 0,241 · 1,1-1 = 0,22 (51)
· DBO5 r disponible: 200 · 0,33 - 10 = 56 mg/l (48)
· N-NO3r1 = 56/4,6 = 12 mg/l
· Fracción activa de los fangos: (59b)
fa = 0,26
· Tiempo de retención necesario:
t1 = 12/0,22 · 4.000 · 0,2 = 0,52 días = 1,26 h.
- Desnitrificación de segunda cinética:
· Nitratos a reducir:
N-NO3r2 = 24 - 12 = 12 mg/l
k2,13 = 0,063 · 1,1~1 = 0,57 (52)
· Tiempo de retención:
t2 = 12/0,057 · 4.000 · 0,26 = 0,20 días = 4,86 h
- Volumen reactor anóxico:
Vanx =1.250 · 4,86 = 6.073 m3
C) REPARTO DE VOLÚMENES
- Total .................................19.695 m3
- Anoxico ...............................6.073 m3
fxan = 6.073/19.695 = 30,8%
- Aerobio ..............................13.622 m3 (69,2%)
La fracción anóxica de los fangos está muy cercana a la preestimada del 30%, por lo
que no es necesario repetir los cálculos.