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Hacia una planta de tratamiento de

aguas residuales urbanas

autosostenible energéticamente

Nombre: Dr. Julián Carrera MuyoInstitución: Universidad Autónoma de Barcelona (España)

2º workshop RED TRITÓN

Querétaro (México) 28-agosto-2018

LODOS ACTIVOS



¿CUÁL ES LA CONFIGURACIÓN MÁS HABITUAL EN LA ACTUALIDAD PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES URBANAS?

Proceso biológico de lodos activos acompañado de otros procesos físico-químicos.

LODOS ACTIVOS



¿CUÁL ES LA CONFIGURACIÓN MÁS EFICIENTE EN LA ACTUALIDAD PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES URBANAS?

Proceso de lodos activos incorporando la eliminación biológica de nutrientesmediante nitrificación/desnitrificación y eliminación de fósforo.

Añadiendo el tratamiento específico del agua de rechazo de la digestión anaeróbicade fangos mediante eliminación biológica de nitrógeno autótrofa (anammox).

ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO vía NITRATO



NH4+

NO2-

NO3-

ELEVADO REQUERIMIENTO

DE OXÍGENO YALCALINIDAD

ELEVADO REQUERIMIENTO DE

MATERIA ORGÁNICA Y GRAN PRODUCCIÓN

DE LODOS

NO2-

N2

NITRIFICACIÓN

DESNITRIFICACIÓN

ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO vía NITRITO



NH4+

NO2-

NO2-

N2

NITRITACIÓN

DESNITRIFICACIÓNVÍA NITRITO

HASTA UN 25% DE AHORRO EN LA

CANTIDADDE OXÍGENO REQUERIDO

ENTRE UN 30-40% DEAHORRO EN EL

REQUERIMIENTO DE MATERIA ORGÁNICA Y

EN LA PRODUCCIÓN DE LODOS

ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO AUTÓTROFA



NH4+

NO2-

NO2-

N2

NITRITACIÓN PARCIAL

ANaerobicAMMoniumOXidation(ANAMMOX)

HASTA UN 40% DE AHORRO EN LA

CANTIDADDE OXÍGENO REQUERIDO

SIN REQUERIMIENTOS DE MATERIA ORGÁNICA

NH4+

NH4+

ANAMMOX



Proceso Anammox

NH4+ + 1.32NO2

- + 0.066HCO3- + 0.13H+

1.02N2 + 0.26NO3- + 0.066CH2O0.5N0.15 + 2.03H2O

Bacterias estrictamente anaerobias y autótrofas.

Oxidan amonio con nitrito como aceptor de electrones y forman nitrógeno gas(90%) y nitrato (10%).

Velocidad de crecimiento y rendimiento biomasa/substrato bajos.

LODOS ACTIVOS




Proceso de lodos activos incorporando la eliminación biológica de nutrientesmediante nitrificación/desnitrificación y eliminación de fósforo.

Añadiendo el tratamiento específico del agua de rechazo de la digestión anaeróbicade fangos mediante eliminación autotrófica de nitrógeno (anammox).

LODOS ACTIVOS: BALANCE ENERGÉTICO




Este sistema, en el mejor de los casos, aún consume 8 kWh/heq/año. Sistemasmenos avanzados pueden consumir de media hasta 16 kWh/heq/año.

La única recuperación energética se produce a través de la producción de biogáscon el exceso de lodos (primarios y secundarios). No obstante, en el mejor de loscasos, se podría recuperar el 50% del consumo.

La razón es que se debe emplear gran parte de la materia orgánica del agua en ladesnitrificación.

BALANCE ENERGÉTICO EN UNA DEPURADORA



Oxígeno y energía

requeridosEnergía (wh/heq/d)

Depuradora convencional

Depuradora convencional eliminación autótrofa de

N del agua de rechazo

Aeración eliminación DQO

-40 -30

Aeración eliminación N

-22 -22

Bombeo/Mezcla -20 -20

Producciónbiogás

+38 +51

Balance neto -44 -21

DEPURADORA AUTOSOSTENIBLE ENERGÉTICAMENTE



COSTES

AERACIÓN

PRODUCCIÓN

BIOGÁS

IMPLICACIONES:

No habrá materia orgánica para la desnitrificación. Se necesita un proceso con menos requerimientos de oxígeno.

Derivar la mayor parte de la materia

orgánica a la digestión anaeróbica

Debe reducirse significativamentela aeración

¿CÓMO SE PUEDE CONSEGUIR UNA DEPURADORA AUTOSOSTENIBLE ENERGÉTICAMENTE?

DEPURADORA AUTOSOSTENIBLE ENERGÉTICAMENTE



Implementando la eliminación biológica autótrofa de nitrógeno en la línea principal de aguas de la depuradora

Si se necesita:

COSTES

AERACIÓN

PRODUCCIÓN

BIOGÁS

Producción neta de energía: 1-9 kWh/heq/año

¿CÓMO SE PUEDE CONSEGUIR UNA DEPURADORA PRODUCTORA NETA DE ENERGÍA?

BALANCE ENERGÉTICO EN UNA DEPURADORA



Oxígeno y energía

requeridosEnergía (wh/heq/d)

Depuradora convencional

Depuradora convencional eliminación autótrofa de

N del agua de rechazo

Depuradora coneliminación autótrofa

de N en la línea de aguas

Aeración eliminación DQO

-40 -30 -15

Aeración eliminación N

-22 -22 -16

Bombeo/Mezcla -20 -20 -15

Producciónbiogás

+38 +51 +70

Balance neto -44 -21 +24




¿CÓMO SE PUEDE IMPLEMENTAR LA ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO AUTÓTROFA EN LA LÍNEA PRINCIPAL DE AGUAS?

Obviamente, pasa por conseguir la oxidación parcial de la mitad de amonio hastanitrito y la posterior etapa anammox.

El problema es que debe conseguirse durante todo el año, es decir, también a bajastemperaturas en una parte importante de los países del mundo. En Europa, porejemplo, supone que el sistema sea robusto y funcione entre 10-15 ºC.

Lo más sencillo sería utilizar los sistemas industriales que ya se utilizan en eltratamiento del agua de rechazo. Estos sistemas son todos de una etapa (one-stage).

Otra opción es utilizar un sistema de dos etapas (two-stage).

SISTEMAS INDUSTRIALES PARA AGUA DE RECHAZO



AnoxKaldnes ANITA™ Mox

DEMON®

CANON®




SISTEMAS ONE-STAGE

Un único reactor aerobio operado con bajas concentraciones de DO

Tecnologías: CANON, ANITA, DEMON

Menores costes que los sistemas two-stage

Con frecuencia hay crecimiento NOB a bajas temperaturas

Bajas velocidades de conversión del amonio (<0.05 g N/L/d)

SISTEMAS TWO-STAGE

Dos reactores diferenciados: un reactor para la PN y otro para AMX

Nitritación parcial estable a baja temperatura con eliminación de NOB

Anammox siempre en condiciones anóxicas y protegido contra la llegada de DQO

Mayores velocidades de conversión que en los sistemas one-stage

Mayores costes que los sistemas one-stage

¿CÓMO SE PUEDE IMPLEMENTAR LA ELIMINACIÓN AUTÓTROFA DE NITRÓGENO EN LA LÍNEA PRINCIPAL DE AGUAS?

TECNOLOGÍA SAVING-E



PRIMER PASO: DESARROLLO A ESCALA DE LABORATORIO (CIENCIA)




Nitritación parcial

NH4+ + 0.75O2 + HCO3

- 0.5NH4

+ + 0.5NO2- + CO2 + 1.5H2O

AOB

NOB

92 ± 4 % AOB

1 ± 1 % NOB

Maximiza la actividad AOB y

reprime de forma efectiva la

actividad NOB

ESTRATEGIA [DO]/[N-NH4+]




Proceso Anammox

NH4+ + 1.32NO2

- + 0.066HCO3- + 0.13H+

1.02N2 + 0.26NO3- + 0.066CH2O0.5N0.15 + 2.03H2O

UTILIZAR un UASB: UAnSB

Reactores simples y baratos de operar

Desarrollo de sobrecapacidad

Permite mantener una gran capacidad

anammox a bajas temperaturas

PROYECTO LIFE+ SAVING-E



Implementación de la eliminación biológica

autótrofa de nitrógeno (nitritación + anammox)

en la línea principal de aguas

LIFE14 ENV/ES/000633 – LIFE SAVING-E

SEGUNDO PASO: DESARROLLO A ESCALA DE PILOTO (TRANSFERENCIA)




SOCIOS:

DURACIÓN: 01/10/2015 - 31/03/2019

Co-financiado por:

PRESUPUESTO: 1,169,000 €




IMPACTOS ESPERADOS

El impacto de la aplicación de la tecnología SAVING-E frente a las tecnologíasconvencionales para el tratamiento de las aguas residuales urbanas se esperaque sea:

Incremento del 50% en la producción de biogás

Reducción de un 10% del vertido de nitrógeno

Ahorro energético de un 30% en el proceso de eliminación de nitrógeno

Ahorro energético de un 40% en el proceso global de depuración

Reducción de un 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero




ANAEROBIC DIGESTION

Air

A-stage: organic matter removal B-stage: nitrogen removalNitritation Anammox

Treatedwastewater

Air

LA TECNOLOGÍA SAVING-E

Urbanwastewater




LA PLANTA PILOTO SAVING-E

De 2 a 400 LDe 5 a 360 L




0 100 200 300 400 500 600

Slu

dg

e R

ete

ntio

n

Tim

e (

days)

0

1

2

3

4

5

Te

mpe

ratu

re(º

C)

5

10

15

20

25

30

35

SRT

Temperature

3 ± 22.1 ± 0.6

Time (days)

0 100 200 300 400 500 600

Org

an

ic L

oa

din

g R

ate

(kg

CO

D/m

3/d

)

0

2

4

6

8

% C

OD

re

mova

l

0

20

40

60

80

100

OLR

Average OLR

% COD removal

Average % COD removal

0 100 200 300 400 500 600Slu

dg

e V

olu

metr

ic

Inde

x (

mL

/g)

0

250

500

750

1000

Dis

so

lve

d O

xyg

en

(mg

/L)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0SVI

DO




Resultados del reactor de alta eficiencia de eliminación de

materia orgánica (HRAS)

Eficacia media de eliminación de materia orgánica del 70% (80% a

temperaturas superiores a 15ºC y del 60% a temperaturas inferiores a

15ºC).

La sedimentabilidad es adecuada excepto en periodos de muy baja

temperatura (inferior a 15ºC). En esos casos se requiere de la adición de un

coagulante.

El rendimiento fango formado/DQO eliminada es un 50% superior al de la

EDAR de Rubí.

La biodegradabilidad anaerobia del fango formado es del 70% (la del fango

secundario de Rubí es del 47%).




Bio

ma

ss c

on

ce

ntr

atio

n

(gV

SS

L-1

)

0

1

2

3

4

Time (d)

0 20 40 60 80 100 120 140

Pa

rtic

le s

ize

(µ

m)

0

100

200

300

400

Pa

rtic

le s

ize

(%

)

0

20

40

60

80

100

Particle size

Particle size > 200 µm (%)




0 100 200 300 400 500Nitro

gen R

em

oval R

ate

(NR

R,

kg N

/m3/d

)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Upflow

velo

city

(Vup,

m/h

)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

NRR

Vup

Time (days)

0 100 200 300 400 500

Avera

ge s

ize

400

500

600

700

800

900

1000

Slu

dge V

olu

metr

ic

Index (

SV

I, m

L/g

)

0

20

40

60

80

Average size

SVI30

SVI5




SEGUIMIENTO DEL PROYECTO LIFE+ SAVING-E

Los avances y noticias del proyecto se pueden seguir en la web y la cuenta detwitter del proyecto.

@Life_SAVING_Ehttp://saving-e.eu/es

TRATAMIENTO Y RECICLAJE DE AGUAS INDUSTRIALESMEDIANTE SOLUCIONES SOSTENIBLES FUNDAMENTADASEN PROCESOS BIOLÓGICOS. RED TEMÁTICA 316RT0508

Financiado por:



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