Autotrophic nitrogen removal in granular sequencing batch reactors

Resumo

Esta tese encádrase no marco da depuración de augas e máis concretamente na eliminación de nitróxeno das augas residuais. A eliminación de nutrientes (principalmente N e P) nas augas residuais é necesaria para evitar a proliferación de algas ou eutrofización das augas receptoras. Os procesos biolóxicos son os máis utilizados para levar a cabo a eliminación de nutrientes debido ao seu menor custo en comparación cos fisicoquímicos. O proceso típico de eliminación de nitróxeno consiste na oxidación de amonio a nitrato, en dous pasos: 1) oxidación de amonio a nitrito por medio de bacterias oxidantes de amonio (BOA) e 2) oxidación de nitrito a nitrato por medio de bacterias oxidantes de nitrito (BON). Unha vez o amonio oxidado ata nitrato, este é reducido a nitróxeno gas por bacterias heterótrofas en ausencia de osíxeno. Con todo, este proceso non é o máis axeitado para tratar augas con alta carga nitroxenada, é dicir augas con baixa relación DQO/N. Neste caso débese engadir unha fonte externa de carbono que encarece o proceso. Unha alternativa para eliminar nitróxeno destes efluentes, xurdida nos últimos anos, é a eliminación autótrofa de nitróxeno levada a cabo por bacterias Anammox que combinan amonio e nitrito para dar nitróxeno gas e unha pequena cantidade de nitrato en condicións anaerobias. Este proceso resultou interesante para tratar augas de saída de dixestores anaerobios xa que estas conteñen altas concentracións de nitróxeno e pouca materia orgánica biodegradable. Con todo, o lento crecemento das bacterias autótrofas, en comparación coas heterótrofas dificulta a posta en marcha e posterior desenvolvemento do proceso. Dúas configuracións alternativas son posibles para levar a cabo o proceso de eliminación autótrofa de nitróxeno: 1) proceso en dúas etapas: nitrificación parcial do 50% do amonio a nitrito no primeiro reactor que alimentaría un posterior reactor Anammox, 2) ambos procesos levados a cabo nun único reactor, proceso coñecido como CANON (Complete Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite). A eliminación autótrofa de nitróxeno da corrente de saída dos dixestores anaerobios nas plantas de tratamentos de augas residuais presenta unha serie de vantaxes entre as que se atopan: ¿ O aumento da capacidade de eliminación de nitróxeno da planta. ¿ A redución da cantidade de lodos producidos xa que a produtividade da biomasa autótrofa (nitrificante e Anammox) é menor que a heterótrofa (desnitrificante). ¿ A produción de inferiores cantidades de gases de efecto invernadoiro (N2O e NO). ¿ Un aumento do aproveitamento enerxético no dixestor anaerobio xa que ao eliminar o nitróxeno da corrente de rexeitamento pódese reducir o tempo de residencia hidráulico nos decantadores primarios das EDAR diminuíndo a oxidación de materia orgánica nos mesmos. Os procesos biolóxicos pódense levar a cabo en sistemas con biomasa en suspensión ou en forma de biopelículas (biomasa adherida ou granular). O uso de sistemas baseados en biopelículas permite o tratamento de maiores cargas en menores volumes de reactor e, xa que logo, está recomendado para o tratamento de efluentes con elevadas cargas. Ademais o feito de que a biomasa creza desta forma permite reter maiores cantidades da mesma, o cal é beneficioso no caso de utilizar microorganismos de lento crecemento como é o caso das bacterias nitrificantes e Anammox. Nos anos 90 desenvolveuse nos Países Baixos unha tecnoloxía baseada na formación de biomasa granular en condicións aerobias. Esta tecnoloxía fundaméntase no desenvolvemento de biopelículas sen necesidade de material de soporte. Os primeiros traballos desenvolvéronse estudando a autoagregación de bacterias heterótrofas alimentadas cunha fonte de carbono, formando agregados cuxa principal característica era a súa elevada velocidade de sedimentación. Para iso, utilízase un reactor operado de forma descontinua (SBR: Sequencing Batch Reactor) cunha elevada relación altura/diámetro e sométese a biomasa a períodos cíclicos de saciedade e fame. O emprego de sistemas granulares presenta as seguintes vantaxes: ¿ Permiten alcanzar maiores concentracións de biomasa no reactor, diminuíndo a produtividade dos lodos e aumentando a capacidade do reactor. ¿ Minimízase o lavado de biomasa, feito fundamental ao traballar con bacterias de lento crecemento. ¿ A velocidade de decantación da biomasa é moito maior que a dos lodos activos, diminuíndo a superficie necesaria para o decantador (pódese chegar inclusive a non necesitar decantador). En base a todo o anteriormente citado, na presente tese estudáronse as condicións de operación axeitadas para a autoagregación de poboacións de lento crecemento como as nitrificantes (BOA e BON) e as Anammox, cada unha delas por separado (Capítulos 3, 4 e 5). Posteriormente, combináronse poboacións de BOA e Anammox nunha única unidade para levar a cabo o proceso CANON, este proceso foi desenvolvido a temperatura ambiente en dous tipos de reactores (Capítulo 6). A continuación, co fin de analizar a operación dos gránulos a nivel microscópico levouse a cabo un estudo por medio de microelectrodos para o seguimento de perfís de concentración no interior de devanditos gránulos (Capítulo 7). Cos datos experimentais obtidos nun traballo previo neste tipo de sistemas, desenvolveuse un modelo que permitiu simular o comportamento de gránulos aerobios nos que se levaba a cabo a eliminación de nitróxeno a través do proceso convencional de nitrificación-desnitrificación (Capítulo 8).