RESUMEN
Con el incremento de las restricciones de contaminantes en los efluentes para las plantas de tratamiento de agua residual municipal, los municipios enfrentan el desafío de cómo mejorar la calidad de efluente de su planta sin o con poca inversión. Nuevas regulaciones del Sistema Nacional del Eliminación de Descarga de Contaminación de EEUU (NPDES, por sus siglas en Ingles), requieren la reducción de nitrato y/o fósforo, de tal forma que la remoción de nutrientes se vuelve más relevante debido a los efectos del nitrógeno y fósforo en cuerpos de agua que reciben las descargas. La Remoción Biológica de Nutrientes (BNR) es un término que describe la remoción de nitrógeno y fósforo utilizando la biología que ocurre naturalmente en el lodo activado. Típicamente una actualización a BNR requiere capacidad adicional en forma de un tanque anóxico o anaeróbico, lo cual requiere fondos significativos. De acuerdo a una ficha de hechos publicada por la EPA de EEUU “Biological Nutrient Removal Processes and Costs” (Procesos y Costos de Remoción Biológica de Nutrientes), una planta con caudales entre 378 a 3,785 m3 por día requiere un promedio de USD $6,792,000 para una actualización a un sistema BNR. Una opción para evitar la construcción de un tanque anóxico adicional es convertir el sistema de aireación a un diseño cíclico intermitente aeróbico/anóxico. Sin embargo, el equipo de aireación típico que está diseñado para operar 24/7 carece de la capacidad requerida para promover condiciones anóxicas. Modernizar sistemas de zanjas de oxidación con el equipo de aireación apropiado y una estrategia cíclica aeróbica/anóxica pueden eliminar la necesidad de un tanque anóxico adicional.

 

Escrito por MICHAEL SAUNDERS
Traducido por KRISTA RAMIREZ
Aeration Industries International

 

DISEÑO BNR TÍPICO

La idea de la remoción biológica de nitrato consiste en condicionar a la bacteria a remover nitrógeno creando un entorno específico que no sea la condición aeróbica. Una planta típica BNR requiere un tanque anóxico para remover nitrógeno. Anóxico se refiere a la ausencia de oxígeno disuelto residual. Las condiciones anóxicas promueven el proceso de desnitrificación, el proceso inverso a la nitrificación. Una falta de oxígeno disuelto residual obligará a la bacteria a buscar una fuente alternativa, que está en la forma de nitrato (NO3-N). La bacteria utilizará el oxígeno del nitrato convirtiendo el nitrato en gas nitrógeno, produciendo la desnitrificación. La ilustración mostrada en Figura 1 es el Ciclo de Nitrificación/Desnitrificación en agua residual:

 

El Diseño BNR convencional incluye un tanque anóxico independiente antes del tanque de aireación. Debido a que la entrada de DBO incrementa la tasa de desnitrificación, el tanque anóxico se coloca antes del tanque aeróbico. El tanque anóxico requerirá una bomba adicional para reciclar los nitratos del final del tanque aeróbico y del equipo de mezcla designado. El diseño BNR más común, proceso MLE, se ilustra en la figura 2

 

 

DISEÑO BNR POR AERATION INDUSTRIES

Un método alternativo del proceso MLE es crear fases anóxicas dentro del tanque aeróbico. Apagar el equipo de aireación dentro de un tanque aeróbico naturalmente creará condiciones anóxicas. Cuando los nitratos se agotan completamente la aireación se puede encender de nuevo para remover amonio y DBO. Mientras la fase de aireación continúe, la concentración de nitrato dentro del tanque se incrementará lentamente hasta el momento de apagar el sistema de aireación nuevamente.

El control cíclico de aireación se ilustra en la Figura 3:

 

Figura 3: Control ORP

La Instrumentación de Proceso se utiliza típicamente para identificar los tiempos óptimos para encender o apagar el sistema de aireación. Potencial REDOX (ORP) y sondas de amonio/nitrato son los instrumentos más comunes utilizados para el control cíclico de aireación. Las sondas ORP requieren una calibración significativa para un sistema especifico, mientras que las sondas de amonio/nitrato requieren poca calibración, sin embargo, son bastante caras y erróneas a niveles de nitratos debajo de 1 mg/L.

Datos actuales de campo se ilustran en la Figura 4 para ORP y OD:

Figura 4: Datos del Campo ORP/OD

 

 

El gráfico en la Figura 4 ilustra dos periodos de desnitrificación, uno en la mañana y uno en la tarde. Durante los periodos aeróbicos, las sondas de OD se utilizan para controlar los sopladores y mantener el oxígeno residual dentro de un rango definido, en este caso de 0.75 a 2.5 mg/L. El programa de control apagará el soplador en un momento especifico en la mañana, determinado a través de calibración en campo. Una vez que se apagan los sopladores, se utilizan las sondas ORP para determinar cuando los nitratos están completamente agotados, en este momento los sopladores se encienden de nuevo. La calibración en campo es requerida para determinar cuándo los sopladores se deberán apagar para la desnitrificación, es decir, cuando hay acumulación de nitratos.

Existen algunas desventajas del control cíclico de aireación. La potencia de aireación instalada deberá ser mayor para compensar la reducción del tiempo de aireación. La utilización de una porción del día en tiempo anóxico reducirá el tiempo disponible para remover DBO/amonio. La misma cantidad de oxígeno debería ser introducido al sistema durante un periodo de tiempo menor, requiriendo mayor potencia instalada de aireación. También un exceso de capacidad hidráulica deberá estar disponible para actualizar un tanque existente a la aireación cíclica. Para nitrificar completamente, un intervalo de tiempo de aireación deberá ser especificado. Incrementar el SRT (tiempo de retención de sólidos) puede compensar la reducción en el tiempo aeróbico, pero la edad de lodo tiene límite (<40 días). Además, se requiere suficiente capacidad hidráulica para diluir el amonio del influente suficientemente por debajo del límite del efluente para que se puedan lograr los limites durante la fase anóxica.

INSTRUMENTACIÓN DE LA AIREACIÓN CÍCLICA

El ORP mide el potencial de un químico para adquirir electrones y, por lo tanto, reducirse. En el caso de desnitrificación, ORP mide la reducción del nitrato (NO3) a nitrógeno (N2). Con la alta concentración de nitrato la lectura de ORP también será alta dado que hay alto potencial de transferencia de electrones. Durante el proceso de desnitrificación, los nitratos se convertirán en gas N2, reduciendo la lectura de ORP. Cuando los nitratos estén casi agotados habrá un ligero viraje en la curva de ORP. En este punto, la estrategia de control reconoce el punto de inflexión y se enciende el sistema de aireación.

Las sondas de amonio/nitrato miden directamente la concentración de amonio y nitrato. La estrategia de control para las sondas de amonio/nitrato es encender la aireación en un nivel de amonio especificado por el operador y apagar la aireación en un nivel de nitrato especificado también por el operador. Como se dará cuenta, esta estrategia es mucho más sencillo que el ORP, sin embargo, la exactitud de las sondas de amonio/nitrato no se ha desarrollado suficientemente para utilizar con niveles bajos de amonio. Típicamente, una sonda de oxígeno disuelto se utiliza en conjunto con las sondas de amonio/nitrato para verificar la precisión de éstas últimas. La instrumentación para la remoción de nitratos avanza lentamente hacia las sondas de amonio/nitrato conforme la tecnología evoluciona.

DATOS DE CAMPO: BRAIDWOOD, IL, EEUU

La Planta de Tratamiento de Agua Residual en Braidwood, Illinois, EEUU incluye una zanja de oxidación con 3-anillos con aireadores Aire-O2® Triton instalados en los tres anillos. El permiso NPDES actual incluye un promedio mensual de DBO y Nitrógeno Amoniacal de 10 mg/L y 0.7 mg/L, respectivamente. El Nitrógeno Total sólo se monitorea, pero se espera que pronto se establezcan límites. Por lo anterior, instrumentación ORP y OD ha sido instalada para el control intermitente de aireación. Actualmente, el sistema utiliza el control ORP de aireación en el anillo del exterior y de en medio, mientras que el anillo interior opera como un reactor aeróbico de pulimento.

 

Figura 6: Nitrógeno del influente y efluente de la PTAR Braidwood durante el año 2015

 

Como se ilustra en la Figura 6, los niveles de nitrógeno del amonio y los nitratos son consistentemente bajos pese un par de picos de nitratos. El gráfico demuestra que niveles bajos de amonio y nitrato se pueden lograr simultáneamente dentro del mismo tanque si se utilizan la estrategia y la capacidad correctas de la aireación intermitente.

CONCLUSIÓN

La remoción de nutrientes será más relevante debido al impacto negativo que tienen el nitrógeno y fósforo en los cuerpos receptores. Los municipios se verán obligados a encontrar maneras de incrementar la capacidad de tratamiento dentro de un presupuesto limitado. El control de aireación intermitente es una opción para mejorar la capacidad de tratamiento utilizando los equipos y la infraestructura existentes. Los únicos requerimientos son la instrumentación, una nueva estrategia de control, y equipos de aireación capaces de airear y mezclar independientemente.

FUENTES

“Biological Nutrient Removal.” Fundamentals of Biological Wastewater Treatment WIESMANN:BIOL.WASTEW.TR. O-BK (2006): 223-65. EPA. Web. June 2007.
Tchobanoglous, George. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery. New York, NY: MGraw-Hill Education, 2014. Print.
Robert Grivetti, Braidwood, IL WWTP Operator.