Evaluation of nitrogen elimination in anammox granular system for the treatment of industrial wastewater effluents

Resumen

El tratamiento de las aguas residuales es un proceso con un coste y requisitos de aporte energético relativamente bajos, mientras que la energía que contienen potencialmente las aguas residuales es 5 veces superior a la electricidad necesaria para su tratamiento. Sin embargo, los fenómenos globales como el crecimiento de la población, la escasez de agua y el cambio climático, determinan la imposición de límites de vertido cada vez más estrictos para los efluentes tratados, obligando a modernizar los esquemas actuales de tratamiento para una gestión mejorada y vanguardista de las emisiones contaminantes antes de la descarga final. Por otra parte, tanto el incremento de los precios de la energía como la sostenibilidad medioambiental a través de la recuperación de recursos de las aguas residuales han centrado la atención sobre la recuperación eficiente de su contenido energético, con el objetivo final de conseguir un tratamiento autosuficiente, e idealmente productor de energía. Entre los efluentes líquidos más complejos en cuanto a su tratamiento se encuentran las aguas residuales industriales. En la última década, ha habido un creciente interés en la digestión anaerobia (DA) como tecnología eficiente para su tratamiento, debido a la recuperación de energía a partir del biogás generado (metano), a la baja producción de lodos y a su capacidad para desactivar microorganismos patógenos durante el proceso. El sobrenadante de la DA, o digestato, es rico en nitrógeno (principalmente, nitrógeno amoniacal), que no se oxida o recupera durante la DA. La presencia de grandes cantidades de este nitrógeno en el efluente final tratado puede provocar problemas de eutrofización y modificar el medioambiente en el cuerpo de agua final, por lo que es necesario un tratamiento adicional después de la DA y antes de la descarga final. La eliminación biológica de nitrógeno (EBN) en estos efluentes se ve favorecida por las características de los digestatos, ya que tienen una baja concentración de materia orgánica y una alta concentración de nitrógeno. La EBN se ha ido adoptando progresivamente como estrategia para la eliminación de nitrógeno en los digestatos, ya que incluye procesos más eficientes y económicamente viables en comparación con los procesos físico-químicos, y a pesar de que su relación coste-eficiencia se ha visto incrementa en los últimos años por la mayor oferta de procesos biológicos disponibles. Los procesos biológicos convencionales para la EBN, como la tecnología de lodos activos y la combinación de los procesos de nitrificación autótrofa y desnitrificación heterótrofa, se han aplicado ampliamente en el tratamiento de las aguas residuales; sin embargo, la Directiva 91/271/EEC remarca como objetivo el desarrollo de nuevos procesos biotecnológicos para la gestión del agua. El tratamiento convencional de las aguas residuales para la eliminación de nitrógeno, basado en la nitrificación-desnitrificación, tiene como principal desventaja la necesidad, en muchos casos, de una fuente externa de carbono para la desnitrificación, que junto con los elevados requerimientos de energía (aeración) para la nitrificación lo convierten en un proceso química y energéticamente intensivo. La detección de un atajo en el ciclo del nitrógeno, representado por las bacterias anammox, permitió desde su descubrimiento hace 20 años la aparición de nuevas tecnologías basadas en la eliminación autótrofa de nitrógeno, caracterizadas por ser más eficientes a un menor coste, así como por ser más sostenibles medioambientalmente en comparación con los procesos de EBN convencionales. El proceso combinado de nitrificación parcial-anammox (NP-AMX), que añade al proceso anammox una primera etapa de nitritación parcial para obtener el nitrito necesario para las bacterias anammox, constituye una alternativa innovadora a los procesos convencionales. Las principales ventajas que ofrece son el menor requerimiento de energía (aeración), una menor producción de lodos y la ausencia de requerimientos de materia orgánica de fuentes externas. Teniendo en cuenta este contexto, la presente tesis doctoral se ha focalizado en estudiar la aplicación del proceso NP-AMX para la eliminación de nitrógeno en diferentes tipos de aguas residuales industriales. Estos efluentes se caracterizan por tener elevadas concentraciones de nitrógeno y materia orgánica, cuyo tratamiento requiere de una mayor investigación para asegurar el correcto funcionamiento de los procesos biológicos. Los principales objetivos a partir del desarrollo de esta tesis se relacionan con: • Evaluar la capacidad de eliminación de nitrógeno del proceso NP-AMX al tratar aguas residuales industriales con altas concentraciones de nitrógeno, materia orgánica, sales y otros compuestos, así como alta conductividad. • Identificación de las principales características de estos efluentes industriales que suponen un riesgo potencial para el correcto funcionamiento del proceso NP-AMX. • Estudio de la relación existente (competición o sinergia) entre el proceso NP-AMX y otros posibles procesos biológicos para la eliminación de nitrógeno. • Evaluar el desarrollo de las poblaciones bacterianas principales del proceso NP-AMX, consistentes en las bacterias oxidantes de amonio (AOB) y las bacterias anammox, al tratar efluentes industriales. De este modo, en los capítulos de resultados experimentales se aborda el tratamiento de tres tipos distintos de aguas residuales industriales con el proceso NP-AMX. Los contenidos principales y objetivos específicos correspondientes a cada capítulo de la presente tesis se describen más en detalle a continuación. En el Capítulo 1 se presenta un resumen actualizado del contexto referente al tratamiento de las aguas residuales industriales, detallando el cambio de paradigma en los últimos años desde los tratamientos biológicos convencionales para la eliminación de nitrógeno, hasta las aplicaciones actuales de nuevos procesos como el NP-AMX. Se presta especial atención a la caracterización interna del proceso NP-AMX, así como su relación natural con otros procesos biológicos como la desnitrificación heterótrofa, sus ventajas con respecto al proceso convencional de nitrificación-desnitrificación, y las fuentes conocidas de inhibición en las aguas residuales. Por último, se resumen los últimos trabajos de investigación publicados sobre la aplicación de procesos biológicos NP-AMX o basados en anammox para el tratamiento de efluentes industriales. En el Capítulo 2, se proporciona una descripción de las metodologías analíticas empleadas para determinar los parámetros convencionales usados a lo largo de la tesis para caracterizar las aguas residuales y la biomasa. Los parámetros más convencionales como el pH, la concentración de oxígeno disuelto, la demanda química de oxígeno (DQO), la concentración de especies nitrogenadas (amonio, nitrito y nitrato) o la concentración de sólidos, se midieron siguiendo las instrucciones del “Standard Methods”. Además, se incluyen otros parámetros como la concentración de iones inorgánicos, la concentración de metales y la conductividad. En cuanto a la caracterización de la biomasa granular NP-AMX, se detalla el protocolo seguido para la determinación de la actividad específica de la biomasa granular, así como su estudio morfológico mediante microscopía electrónica de barrido (o SEM) para determinar la composición elemental de la superficie granular. Se describen brevemente las dos técnicas de microbiología incluidas en los resultados: la Hibridación in situ con Fluorescencia (FISH) para la identificación de las distintas poblaciones microbianas (Capítulo 4), y la extracción-secuenciación de ADN y posterior análisis mediante Illumina® para determinar la diversidad bacteriana y su taxonomía (Capítulos 3 y 5). A mayores, también se presentan en este capítulo los cálculos empleados para determinar los parámetros que permiten analizar los resultados obtenidos a lo largo de la tesis. La industria conservera representa un sector económico muy importante en Galicia, que genera grandes volúmenes de aguas residuales, caracterizados por una elevada concentración de sólidos, materia orgánica y nitrógeno. En la actualidad, la DA es la tecnología más extendida en las depuradoras asociadas a las industrias conserveras para el tratamiento de los efluentes generados, principalmente a partir de lavado de proceso y enlatado de conservas. Por todo ello, en el Capítulo 3 se estudió la operación de un reactor SBR a escala de laboratorio, con un volumen de operación de 1.5 L, encaminado a tratar el sobrenadante de DA del efluente en una industria conservera. Estos efluentes se caracterizan por una elevada salinidad, así como la variabilidad en su caracterización, que pueden repercutir sobre el proceso de NP-AMX. Entre los objetivos de este trabajo se encuentran la mejora en la eliminación de nitrógeno en condiciones de alta salinidad mediante el aporte puntual de materia orgánica para el proceso de desnitrificación heterótrofa, además de la limitación de la actividad de poblaciones bacterianas no deseadas, como las bacterias oxidantes de nitrito (BON) que pueden llegar a competir por el sustrato nitrito con las bacterias anammox. Se siguió además la evolución de las poblaciones bacterianas durante la operación del reactor para determinar el efecto de la salinidad o la materia orgánica. Los resultados obtenidos durante la operación del reactor a escala de laboratorio indicaron que tanto la salinidad (7.3 - 8.2 g NaCl/L) como la conductividad (12 - 15 mS/cm) del efluente de industria conservera influyeron negativamente sobre el funcionamiento del proceso NP-AMX. La materia orgánica (en el rango de 40 - 120 mg TOC/L) no estimuló la eliminación de nitrógeno por desnitrificación heterótrofa por encima del 24%, con picos ocasionales del 40 - 60 % debido a aumentos puntuales en la concentración de materia orgánica debido a la variabilidad del agua residual. Sin embargo, la eliminación total de nitrógeno disminuyó desde el 50% inicial al 10% a largo plazo, con valores finales de eliminación y carga eliminada del 20% y 0.02 g N/(L·d), respectivamente. El análisis microbiológico reveló que la abundancia relativa de bacterias anammox fue inferior (< 2.5%) en comparación con las principales especies de bacterias desnitrificantes (12 - 18%). Por otra parte, la presencia de altas concentraciones de fosfato y sulfato en el agua residual probablemente favorecieron la aparición de precipitados blancos sobre la superficie de los gránulos NP-AMX, cuya composición elemental (medida mediante microscopía electrónica de barrido) indicó la presencia de azufre y fósforo principalmente. La formación de precipitados pudo haber contribuido a la disminución en la capacidad de eliminación de nitrógeno debido a limitaciones de transferencia de sustratos desde el medio líquido hasta el interior de la biomasa granular. Aparte de la industria conservera, la producción y cría de animales de consumo, como cerdos y gallinas, es otra industria en alza que también genera grandes cantidades de aguas residuales. La creciente producción de cerdos, en concreto, tiende en la actualidad a su concentración en pequeñas áreas localizadas para reducir los costes de producción, lo cual incrementa la generación de residuos asociados. Precisamente, el aumento del número de granjas de ganado porcino ha conllevado un incremento en las regulaciones medioambientales en lo referente a la aplicación de los purines generados como fertilizantes. Por lo tanto, se hacen necesarias soluciones sostenibles para el tratamiento de los purines de cerdo con respecto al nitrógeno que contienen, ya que estos efluentes líquidos se encuentran entre los más difíciles de tratar dentro de los efluentes derivados de la cría de ganado, caracterizados por altas concentraciones de materia orgánica y salinidad. Al igual que con los efluentes de la industria conservera, la DA se ha postulado como la tecnología preferente para la eliminación de materia orgánica y producción de biogás, mientras que la eliminación biológica de nitrógeno en purines, se ha centrado en los últimos años en sistemas basados en el proceso anammox. En consecuencia, en el Capítulo 4 se estudió la operación de un reactor SBR a escala de laboratorio, con un volumen de operación de 1.4 L, destinado a tratar el sobrenadante de un digestor anaerobio a escala piloto tratando los purines de cerdo generados en una granja de ganado porcino. Entre los objetivos de este trabajo se encuentran el estudio de la evolución en la actividad anammox en relación a la conductividad y concentración de materia orgánica del purín pre-digerido, incluyendo ensayos en discontinuo para determinar la pérdida de actividad anammox al exponerse a la matriz compleja del agua residual. Se estudió además la relación entre el proceso NP-AMX y la desnitrificación heterótrofa, así como la limitación de las BON, que constituyen uno de los mayores problemas potenciales durante el arranque de reactores con el proceso NP-AMX tratando aguas residuales industriales. La evolución de las poblaciones de bacterias oxidantes de nitrito y bacterias anammox se evaluó durante la operación del reactor mediante el análisis por FISH e Illumina®. Los ensayos en discontinuo con purines de cerdo mostraron una disminución de la actividad específica máxima de las bacterias anammox del 44.4%. El comportamiento del proceso NP-AMX se vio influenciado por la combinación de varios factores característicos del purín de cerdo, como la conductividad (6 - 8 mS/cm) y la relación entre la DQO soluble (DQOs) y el nitrógeno (< 1.14 g/g), que indica la posible interacción o competición a largo plazo entre los procesos de NP-AMX y la desnitrificación heterótrofa. Los análisis de FISH e Illumina® mostraron la presencia de BON desde el inicio de la operación, siguiéndose una estrategia basada en la limitación de la concentración de OD y la inhibición por amonio libre (hasta 40 mg NH3-N/L) para limitar su actividad. El rango óptimo de OD fue de 0.07 - 0.12 mg O2/L para conseguir la inhibición de las BON, asegurando al mismo tiempo un balance satisfactorio entre la nitritación parcial y el proceso anammox, que fue capaz de eliminar el 60% del nitrógeno total con una carga eliminada de 0.1 g N/(L·d). La contribución de la desnitrificación heterótrofa a la eliminación de nitrógeno se limitó a un máximo del 10%, probablemente debido a que la relación DQOs/N estaba por debajo del ratio necesario para la desnitrificación por nitrito (1.71 g/g). El tercer y último tipo de agua residual estudiada en la presente tesis fue la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU). La eliminación de la materia orgánica de la FORSU mediante el proceso de DA, además de producir biogás durante el proceso, supone en el caso de esta agua residual una desviación importante de la cantidad de efluentes urbanos que son destinados a vertederos, cuya producción asciende a más de 2 billones de toneladas por año en la actualidad. La diferencia entre la FORSU y los lixiviados estriba, por lo tanto, en su procedencia, ya que los últimos se almacenan durante largos periodos de tiempo (del orden de meses o años) en vertedero antes de su tratamiento, mientras que la FORSU se separa y trata en instalaciones de depuración de aguas residuales tras su generación. Sin embargo, la extendida tendencia actual a tratar la FORSU mediante la DA provoca una gran cantidad de digestatos, que normalmente se separan en fracción sólida y fracción líquida. La fracción líquida de la FORSU pre-digerida se caracteriza por concentraciones extremadamente altas de nitrógeno, materia orgánica recalcitrante e incluso metales, por lo que surge la necesidad de encontrar tratamientos más eficientes para eliminar el nitrógeno y cumplir con la legislación de límites de vertido. En este sentido, la utilización de procesos biológicos (nitrificación-desnitrificación) se ha investigado ampliamente en la última década, mientras que son muy escasos los trabajos que evalúan su tratamiento con sistemas basados en el proceso anammox. En el Capítulo 5 se estudió la operación de dos reactores SBR a escala de laboratorio, con un volumen de 1.5 - 1.7 L, para el tratamiento de la fracción líquida de la FORSU. El influente de ambos reactores consistió en el efluente de un digestor anaerobio (también a escala de laboratorio) tratando FORSU de una planta real; en uno de los dos digestores, la FORSU se pre-trató con stripping de amonio para reducir la concentración de nitrógeno, inhibitorio para la DA. Por lo tanto, uno de los objetivos principales en el Capítulo 5 fue el estudio del efecto de este pre-tratamiento sobre el digestato producido en la DA, y consecuentemente sobre la posterior eliminación de nitrógeno con el proceso NP-AMX. Además de monitorizar la actividad anammox durante toda la operación, se observó la evolución de las poblaciones bacterianas mediante análisis por Illumina®. Con el objetivo de facilitar la adaptación del proceso NP-AMX al efluente de FORSU, se siguió como estrategia de alimentación el aumento progresivo de la proporción de FORSU (diluida con agua) en la alimentación. Los resultados de laboratorio mostraron una reducción a lo largo de la operación de hasta el 90% en la actividad máxima específica de las bacterias anammox, con independencia de la presencia o ausencia de un pre-tratamiento previo a la DA. El funcionamiento del proceso NP-AMX en ambos reactores estuvo relacionado principalmente con la relación DQOs/N en el agua residual, siendo notable el cambio en las poblaciones bacterianas (de bacterias anammox a bacterias desnitrificantes) por encima de un ratio de 1.7 g DQOs/g N, indicando el intercambio de procesos dominantes para la eliminación de nitrógeno. Sin embargo, las eficiencias más altas de eliminación de nitrógeno (94%) se consiguieron para el SBR tratando FORSU con pre-tratamiento de stripping de amonio, a pesar de tratar ratios DQOs/N (2.8 - 8.5 g/g) 4 veces mayores que sin pre-tratamiento. La capacidad de eliminación de nitrógeno en el segundo caso fue mayor (0.687 g N/(L·d) vs. 0.058 mg N/(L·d)), aunque esto se debió en parte a las sucesivas re-inoculaciones que fueron necesarias en el reactor. A diferencia de la FORSU tratada en el Capítulo 5, en el Capítulo 6 se trató mediante el proceso NP-AMX la FORSU pre-digerida en un digestor anaerobio de membrana. La tecnología de membranas ha despertado interés en los últimos años debido a que puede reducir los largos tiempos de residencia hidráulicos (TRH) propios de la DA, disminuyendo el volumen de reacción necesario y aumentando la capacidad de eliminación con mayores cargas tratadas y producción de biogás asociada, además de menores costes de operación. En relación al post-tratamiento para la eliminación de nitrógeno, la membrana genera un efluente con menor concentración de sólidos para el proceso NP-AMX. En este caso, los objetivos de la operación de un reactor SBR de laboratorio con el proceso NP-AMX consistieron en la estrategia de operación óptima para tratar este tipo de efluentes, teniendo en cuenta las relaciones DQOs/N moderadas y los mayores ratios de nitrógeno frente a carbono inorgánico (N/IC), que proporciona una idea del correcto funcionamiento de la nitritación parcial, ya que por encima de 1 g N/g IC la oxidación de amonio está limitada al 50%. Además, se evaluó la viabilidad de implementar un pre-tratamiento previo al proceso NP-AMX para adecuar las características del permeado de FORSU al proceso NP-AMX, concretamente la relación DQOs/N. Los resultados obtenidos en laboratorio indicaron el efecto de la relación N/IC en el permeado sobre la eliminación de nitrógeno, cuyo valor máximo fue del 87% para ratios N/IC (1.2 g/g) próximos al valor limitante para el 50% de la nitritación parcial (1 g/g). Por otra parte, se probaron dos tipos de pre-tratamiento antes del proceso NP-AMX: uno físico-químico, consistente en aplicar directamente aireación o agitación al permeado de FORSU, y otro biológico con lodos activos para conseguir menores concentraciones de materia orgánica, más adecuadas para el proceso NP-AMX, mediante su oxidación aerobia. La aplicación del pre-tratamiento biológico durante 30 h a pH = 6.0 permitió rebajar la concentración de materia orgánica de 5000 mg DQOs/L a 750 mg DQOs/L, con un ratio final de 1.3 - 1.6 g DQOs/g L. Sin embargo, la relación N/IC se incrementó por encima de 4 g N/g IC, provocando la pérdida inicial de actividad en el proceso NP-AMX luego de la aplicación del pre-tratamiento, con eliminaciones finales de nitrógeno de hasta el 60%.