DISEÑO DE TECNOLOGIAS INNOVADORAS PARA REMODELACIÓN DE EDAR EXISTENTES.

Luis Larrea

CEIT y Tecnun (Universidad de Navarra).San Sebastian

TECNOLOGÍAS para la REMODELACIÓN

• Puntos de remodelación:� Actuaciones en proceso biológico:

• Reformas fangos activos

• Tecnologías innovadoras.

� Actuaciones tecnológicas externas al proceso biológico:

• Adición de DBO

• Aguas de retorno.

•Motivación: Cumplimiento límites eliminación de nutrientes.

Resolución 2006: 5 → 25Mheq

NT: 15 → 5 mgN/L PT: 2 → 0.1 mgP/L

Proceso Biológico: Reformas en Fangos Activos

• Ampliación de ∆C a ∆N o ∆NP con fangos activos:� Limitaciones:

• TRH de 4 a 11-15 h.• Bulking filamentoso

• Implantación de sistemas de control automático

• Mejora de EDAR existentes con ∆N y ∆NP� Cambio de configuración de reactores: zonas facultativas, alimentación escalonada, Bardenpho, selectores-reactivos.

• Ampliación a ∆P: TRH ≈ 15 h� Incorporación zona anerobia (Carrousel, A2O, UCT, Johanesburgo)� Tratamiento físico-químico

Proceso Biológico: Tecnologías Innovadoras

• Características:� Elevada concentración de biomasa� No bulking filamentoso

• Tecnologías:� Procesos Biorreactor de Membranas (BRM)� Procesos Biopelícula

• Lechos fijos. Biofiltros granulares sumergidos (BAF)• Lechos móviles. Procesos IFAS

Dimensionamiento del módulo de membrana VMB

� Aplicación inicial: plantas nuevas y pequeñas. Parámetros para determinar VMB

� Caudal influente con variación (QIN). VMB función del pico hidráulico

� Aplicación actual en remodelación de EDAR: Qin constante. VMB

Pico hidráulico

•Caudal constante

•Pico hidráulico

Características de las membranas:

• Flujo específico (Tª baja: 15-25 l/m2·h)

• Superficie específica

Filtración:

�Aireación con burbuja gruesa

�Requerimiento de aireación específica (SADm)

�El diseño óptimo de la configuración integrada se puede llevar a

cabo empleando los métodos de fangos activos

R.AX

QO QEF

RF (-%QO)

(QW)

R.AE-MB

•OD=2 mg/l

•N-NO3 efluente bajo

•RF alto

Estado del arte del diseño de Bioreactores. Configuración IntegradaDiseño Convencional con TRS alto: 20-30 días

� TRS total alto. TRS reactor aerobio = fangos activos. ODmb>2

•ODMB>2

a)

QEF QO QEF QO

ZenonMitsubishi b)

T.MBAX

23% 31%

400%

450%

AX

23% 23%

AE

600%

AX

14%

400%

250%

AE

30% 30%

AX/AET.MB

11%

15%

400%

Estado del arte del diseño de Bioreactores.Configuración Separada. TRS ALTO

Aplicación actual

� Plantas medianas-grandes

� Remodelación de EDAR existentes

� Configuración separada

� Aplicación de TRS mínimo y digestión separada de

fangos para minimizar TRH y requerimientos de

Oxígeno

Diseño actual de procesos MBR con TRS bajo

T.MBR.AX R.AE

QO QEF

RF (-%QO)

RI (-%QO)

QW

•OD <2 mg/l

•Nitrificación-desnitrificación simultánea

•NITRIFICACIÓN ÓPTIMA•N-NH4 efluente=1-2 mg/l

•El diseño de los reactores anaerobio, anóxico y aerobio depende de los datos y parámetros de partida: N-NH4, N-NO3 y P-PO4 efluente, SST, KLaMB y VMB y características del agua.

Diseño óptimo de procesos MBR con TRS mínimo

•KLaAE•Controlar •ODAE

•RF > 300%

N-NO3 efluente bajo•RIAE-AX

N-NO3 ≈1

Operación óptima de procesos MBR con TRS mínimo

Diseño actual de procesos MBR con agua decantada

•Monclus et.al, 2009

•Phagoo et.al, 2007

� Pocos casos con agua decantada

DISEÑO DE PROCESOS CON LECHO MOVIL PARA REMODELACIÓN DE EDAR EXISTENTES.

Luis Larrea

CEIT y Tecnun (Universidad de Navarra).San Sebastian

Sistemas con Lecho Móvil

� VR: hasta 60%� Oxígeno disuelto alto(4mg/l)� Autolavado y biomasa desprendida (300-500 mg SST/l)� Sedimentación secundaria� No recirculación de fangos� Tecnología Simple

• SA: 500-1000 m2/m3. Densidad aprox.: 1g/cm3

LECHO MÓVIL PURO (MBBR) e HÍBRIDO (IFAS)

•Proceso de lecho móvil puro(MBBR)

•Proceso Híbrido- IFAS

•Sin recirculación de fangos•Biomasa fundamentalmente en biopelícula•Sólidos suspendidos ≈ influente

•Con recirculación de fangos•Biomasa en biopelícula y en suspensión•SSLM ≈ 3-4 g/l

� AGUAS URBANAS

•El crecimiento de bacterias heterótrofas en biopelícula es menor que en el caso de aguas industriales.•Primera implantación en España: EDAR de Tafalla-Olite (7.000 m3/d).

•Proceso de Doble Etapa: A-B

Aplicación de procesos de lecho móvil puro a eliminación de carbono

•Existe un gradiente espacial de distribución de la DQO filtrada, amonio y biomasas heterótrofa (XH) y nitrificante (XN). La distribución depende de la carga de DQO. Tasa: 100-200 gN/m3· d .Cv ≈ 0,5-0,8 kgDBO/m3· d.

PROCESO C + N

• En Rae1/Rae2: Eliminación de DQOf y generación de XH. No de NH4 y XN

• En Rae3/Rae4: Nitrificación y generación de XN y de nitratos. • En Rae4: Nitrificación Terciaria: 300-600 gN/m3· d (Depende de SA del Relleno). 1.2 gN/m2· d

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

R1 R2 R3 R4

XH, S XA, B XA, S XH, B

XH

,B [

mg

/l]

XH

,S, X

A,S

, XA

B [m

g/l

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

2

4

6

8

10

12

14

16

R1 R2 R3 R4

N-NH4 N-NO3 DQOf DQOp

N-N

H4,

N-N

O3

[mg/

l]

DQ

O [

mg/

l]

� Consumo de DBO con oxígeno de la recirculación� Baja tasa de desnitrificación: 150-200 gN-NO3/m3· d� Escapa DBO de biofiltro predesnitrificante� Crecimiento deXh en N1 y N2 que reduce Tasa de nitrificación (Tn)� Tasa de nitrificación: 0.2 – 0.3 kg N-NH4/m3· d. Mitad que

nitrificación terciaria� Reactor de postdesnitrificación con metanol para bajo nitrato efluente

•Predesnitrificación – Nitrificación- Postdesnitrificación

•Remodelación de EDAR con procesos IFAS - lecho móvil

• Reactores Híbrido Nitrificantes (HN):� Biomasa en suspensión y en biopelícula coexisten e interaccionan compitiendo por el amonio

� La tasa de nitrificación en biopelícula similar a MBBR.

�Tasa de nitrificación en suspension (15-25% del total). TRS aerobio mitad que en fango activo

� TRH aerobio: 3-5 horas.

• Reactor Desnitrificante (D):�Desnitrificación en suspensión como en fango activo:Tasa 50% mayor que en MBBR.

� TRH anóxico puede ser mayor que TRH aerobio

•Se mantiene recirculación de fangos. SSLM: 3 – 4 g/L

•Sólo Adición de soporte en tanque aerobio de nitrificación

•Aplicaciones de Procesos IFAS: Eliminación de nitrógeno

• EDARs Tarrasa y Gava-Viladecans. ACA. TRH=8-9h

•BRM e IFAS

Aplicación de procesos híbridos a eliminación de nitrógeno y fósforo

•CONFIGURACIÓN UCT MODIFICADO

•Fracción anaerobia del 20%, anóxica del 40% y aerobia del 40%•TRH: 6-7 horas

•CONFIGURACIÓN JOHANNESBURGO

•TRH: 9-10 horas

Proceso SBR-IFAS

Proceso MABR-IFAS

Proceso Granular. Lecho móvil biopelícula Sin soporte

TOMA MUESTRASINFLUENTE

B1

EV1

B2

SOPLANTE

EV3

EV2

SONDA ODSENSOR NIVEL(SEGURIDAD)

1

2

1 Depósito agua bruta

2 Depósito nodriza

3 Reactor biológico

TOMA MUESTRASEFLUENTE

EV4

DEPÓSITO PURGA

3

Factores para granulación

-Composición del sustrato. Para conseguir gránulos densos hacen falta sustratos simples,

normalmente fácilmente biodegradables. Sustratos complejos y con presencia de carbohidratos promueven la proliferación de bacterias filamentosas y flóculos poco concentrados.

-Fuerzas de estrés y tiempo de sedimentación. Facilitan el desprendimiento de bacterias filamentosas y el posterior lavado con tiempos de sedimentación cortos. Por ello, se emplean configuraciones de tipo columna con una elevada relación altura/diámetro (H/D).

-Régimen de saciedad/hambruna. Ello se consigue con tiempos de llenado cortos, en los que la biomasa acumula sustrato para consumirlo posteriormente, lo cual promueve la no aparición de filamentos.

las estructuras granulares permiten la estratificación de las poblaciones microbianas a medida que se avanza hacia el interior del gránulo

DISEÑO DE PROCESOS CON BIOFILTROS SUMERGIDOS GRANULARES PARA

REMODELACIÓN DE EDAR EXISTENTES.

Luis Larrea

CEIT y Tecnun (Universidad de Navarra).San Sebastian

Biofiltros granulares sumergidos . C+N

• Biodegradación en biopelícula ( alto DO: 4mg/l)y filtración → No decantación secundaria

Poliestireno

Relleno 3 – 8 mm

Arcilla expandida

• Modular. Compacto→ Gran potencial con escasez de espacio•Para Elim carbono( C). Cv:3 – 6 kgDBO/m3· d CH: 5-15 m/h• Para C+N: Xn sólo en la parte superior. Cv ≈ 1 – 2 kgDBO/m3· d. ; 0,3 kgN/m3· d . CH: 5-10m/h

• Necesidad de bajos SS influente y lavados (fango en exceso)

• Soporte fijo con alta superficie específica y baja porosidad

Biological Aerated Filters (BAF)

Biofiltros granulares sumergidos. Nitrificación terciaria y postdesnitrificación

(EDAR OSLO. Sagberg et al, 2006)

Biop. XN

• Nitrificación

� Gránulos de menor tamaño(3mm)

� Biomasa nitrif. (Xn) . Alta densidad:400000g/m3

� Tasa de nitrif.: 1-1.5 kg N-NH4/m3· d a 12-13ºC

� Ampliación EDAR Budapest (Licsko et al., 2004)

• Post- Desnitrificación con metanol� Gránulos de mayor tamaño(5mm)� Tasa de desnitrif.: 3.5-5 kg N-NO3/m

3· d. CH:15-20m/h� EDAR Oslo

Predesnitrificación - Nitrificación

Celda única

(Rother et al., 2007)

Etapas separadas

• Consumo de DBOinf soluble(Ss) con oxígeno de la recirculación• Baja concentración de sólidos suspendidos influente. Se retienen y Xs contribuyen a la desnitrificación.Tasa: 1 kg N-NO3/m

3· d• Escapa DBO de biofiltro predesnitrificante• Colonizacion con Xh de zona inferior del biofiltro nitrificante• Tasa de nitrificación: 0.5– 0.7 kg N-NH4/m

3· d a 12ºC(mitad de Nit Terc)• Biofiltro de postdesnitrificación con metanol para bajo nitrato efluente

EDAR Frederikshavn (Dinamarca) (Hansen et al., 2007)

Remodelación deEDAR con biofiltro granular.

• Nitrificación en biopelícula• Desnitrificación . PreD en suspensión . PostD en biopelícula.

TECNOLOGÍAS PARA ELIMINACION DE NITROGENO Y FOSFORO DEL LICOR DE RETORNO DE FANGOS

Luis Larrea

CEIT y Tecnun (Universidad de Navarra).San Sebastian

Nov. 2014

•LIMITACIONES de procesos biológicos en líea de aguas

• Desnitrificación � Baja concentración de DQO biodegradable� Alta transferencia de oxígeno a reactores anóxicos� Elevada redisolución de N en digestores anaerobios� TRH anóxicos altos y dificultades para alcanzar bajo nitrato efluente

• Eliminación biológica de fósforo� Baja concentración de sustrato fácilmente biodegradable� Inestabilidad en el rendimiento por cambios en DQO/P� Elevada redisolución de P en digestores anaerobios� Dificultades para alcanzar bajo P Total efluente

•SOLUCIÓN: ∆N en retornos y/o adición de DQO

• SOLUCIÓN: ∆P físico-químico y/o adición de DQO

•Aporte de DQO biodegradable

• Soluble fácilmente biodegradable

� Metanol, etanol, etc. para aumentar desnitrificación

� Desde aguas industriales. Para desnitrificación y/o ∆P

� Sobrenadante de fermentación ácida de fango primario. Reduce generación de metano

• Particulado lentamente biodegradable

� Desvío de fracción de agua bruta

� Aumento de sólidos suspendidos (retornos de línea de fangos )

• Empleo de tanques de tormentas y de decantación primaria-fermentación ácida para mejorar gestión de tormentas y optimizar ∆NP biológico

•Aporte de DQO biodegradable

• Soluble fácilmente biodegradable

� Metanol, etanol, etc. para aumentar desnitrificación

� Desde aguas industriales. Para desnitrificación y/o ∆P

� Sobrenadante de fermentación ácida de fango primario. Reduce generación de metano

• Particulado lentamente biodegradable

� Desvío de fracción de agua bruta

� Aumento de sólidos suspendidos (retornos de línea de fangos )

• Empleo de tanques de tormentas y de decantación primaria-fermentación ácida para mejorar gestión de tormentas y optimizar ∆NP biológico

Balance de Nitrógeno y Fósforo en EDAR convencional

Eliminación de Nitrógeno y Fósforo en licor de retorno

•∆N en retornos: FUNDAMENTOS

• Basada en Nitrificación Parcial (Nitritación)

•- Ahorro de ≈ 25 % O2 respecto a Nitrificación Completa a NO3- (XNH y XNO)

+−+++→+ HOHNOONH 25.1

2224

XNH

• Desnitrificación de nitritos (NO2-)

� Con Metanol

•- Ahorro de C (40 %) respecto a desnitrificación de nitratos (NO3-)

−−+++→+ OHOHCONOHCHNO 633336

22232

XH

� Con Anammox (Anaerobic ammonium Oxidation) a partir de nitritación parcial

•- Ahorro adicional de O2 (50 - 60 %) y C (100 %) respecto a nitrificación –desnitrificación convencional. Menor producción de fangos

5.05.02232324066.003.226.002.113.0066.032.1 NOCHOHNONHHCONONH +++→+++

−+−−+XAN

Cortocircuito en el ciclo del Nitrógeno

Cinéticas de Nitritación y Nitratación

•Nitritación: FUNDAMENTOS

• Inhibición de XXNONO por efecto de:

� OD: ≤ 2-3 mg/l

� Temperatura: ≥ 25º C

� pH: ≥ 7

•XNO más sensible que XNHONOO

O

SK

S

+,2

ONHO

O

SK

S

+,2

•KO2,NO > KO2,NH

•[NH3]•pH

•KIN,NH3,NO < < KIN,NH3,NH

•XNO mucho más sensible que XNH

3,3,

,3,

NHNHNHIN

NHNHIN

SK

K

+

3,3,

,3,

NHNONHIN

NONHIN

SK

K

+

•Tecnologías para NITRITACIÓN COMPLETA y DESNITRIFICACIÓN con METANOL

• Biomasa en suspensión:�� SHARONSHARON – Continuo. (Hellinga et al., 1998)

� Nitritación Quimiostato. Tª = 30º C. TRH = TRS=1d→ Lavado XNO

� Desnitrificación. Pre/Post. Intermitente

�� SBR SBR (Sequencing Batch Reactor) – Discontinuo. (Fux et al., 2003)� Nitritación por efecto de O.D=0.5 y pH (Tª = 30º C)� Desnitrificación. Discontinuo. Secuencial

�� BRM BRM (Biorreactor de Membrana) – Continuo. (Wyffels et al., 2004)�� NitritaciNitritacióón n por efecto de O.D y pH (Tª = 30º C)

� Desnitrificación. Espacial o intermitente

• Procesos Biopelícula: �� Biofiltro, lecho fluidizado y lecho mBiofiltro, lecho fluidizado y lecho móóvilvil��PROCESO ELFA. ACCIONAPROCESO ELFA. ACCIONA

� Nitritación por efecto de O.D y pH (Tª = 30º C)� Pre/Post-Desnitrificación

•

•Crecimiento de XNO se inhibe por OD y NH3 residual• NH3 > 0.5-1 mg/l . No hay generación de nitrato•NH3 < 0.1-0.2 mg/l, hay generación de nitrato•Hay Oxigeno Disuelto (OD) optimo: 1-2 mg/l

Control Temp Sensor NO2 Sensor O2 controladopH controlado

Metanol

•Tecnologías para NITRITACIÓN PARCIAL y ANAMMOX

• 2 ETAPAS

� Nitritación Parcial: SHARON, SBR, y NIPAR lecho movil. (ACCIONA)

� Anammox:

•Crecimiento muy lento → Requiere alto SRT. Tendencia a granular

• Lecho móvil. Gaul, 2005. Gut, 2006. NIPARMOX ACCIONA.

• Granular. Alta concentración de floc-forming•- Elevada cizalladura. Geometría del tanque especial (Gas-lift)•- Funcionamiento en SBR y secuencia alta-baja carga. SHARON-Anammox. PAQUES(Roterdam. Van der Star 2007)

[ ] AN

2OAN,2O

AN,2O

4NHAN,4NH

4NH

2NOAN,2NO

2NOANAN CX

CSK

K

CSK

CS

CSK

CSoXCrecimient ⋅

+⋅

+⋅

+⋅µ=

−

−

Tecnologías para NITRITACIÓN PARCIAL y ANAMMOX

• 1 ETAPA

�Anammox . Paques. Granular. WWTP en Olburgen. OD: 1-2mg/l. Carga 0.7-1 kgN/m3dia

�DEMON . SBR con floculo(Ciclo 8h, TSS:3-4g/l) .Strass WWTP. Wett et al., 2007. Hidrociclón. OD: 0.3mg/l. Carga 0.7 kgN/m3dia. Inhibición NO2: 5 mg/l

� ANITAMOX. Veolia. Lecho móvil plástico. Granja Anammox. OD: 1-2mg/l .Carga aprox.1 kgN/m3dia. Lemaire et al., 2012.

�NAS.SBR. Ahidra-Colsen:Selección de Anammox mediante sistema simple de descarga; Instalación de mixer de baja velocidad para mantener granulos

•Anammox Rotterdam

•DEMON

•ANITAMOX

Proceso NAS-SBR. AHIDRA-COLSEN

Fundamentals

• Addition of MgCl2 to produce MgNH4PO3·6H2O precipitates under controlled conditions

Struvite recovery

Optimum conditions

• 8< pH< 10

• Low temperatures

OSTARA

STRUVIA. VEOLIA

NURESYS

Anphos.COLSEN