Tecnologías de Tratamiento de Aguas Residuales: Nitrificación y Denitrificación

PROCESOS DE NITRIFICACIÓN Y ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO

Rubén Díez Montero, Ana Lorena Esteban UC Universidad de Cantabria Grupo Docente de Tecnologías del Medio Ambiente Departamento de Ciencias y Técnicas del Agua y del Medio Ambiente

Nitrificación y eliminación de N

Necesidad

Formas del N en el AR · Amoniaco (NH3) · Amonio (NH+4) · Nitrito (NO2-) · Nitrato (NO3) · Nitrógeno orgánico NH+4 <== > NH3 + H+ (pH=7; T=20°C) NH+4 ~ 100%

100 90 - 80°C 80 60ºC 40°C 3 70 20°℃ 50 40 30 20 10 0 T pH 5 6 7 8 9 10 11 12 Nitrógeno total= Norg + NH2+ NH+4 + NO2 + NO3" Nitrógeno total Kjeldahl (NTK)= Norg + NH3+ NH+4 CHN % NH 60 0ºC

Fraccionamiento del N en agua residual

TKN TKN NH4-N ON Ammonia N Organic N bON nbON 60-80% del TKN Fácilmente disponible para la síntesis bacteriana y la nitrificación Biodegradable Nonbiodegradable nbsON nbpON Soluble Particulate Soluble Particulate También disponible « Necesita hidrólisis antes de ser asimilado Se encontrará en el efluente del decantador 2º <3% TKN Será capturado en el flóculo y formará parte del fango b = biodegradable; i = inert; n = non; p = particulate; s = soluble.

El nitrógeno en las aguas residuales urbanas

Fuerte Media Débil Sólidos suspendidios totales (mgSST/1) 400/150 250/100 150/70 Fracción volatil (%) 75 75 75 . DBOs (mgO2/1) 300/210 225/160 135/95 DQ0 (mgO2/1) 700/500 500/350 300/200 Notrógeno total=TKN (mgN/1) 60/55 42/39 25/23 N-NO3 0 0 0 N-NH4 45 30 15 N orgánico 15/10 12/9 10/8 Fósforo total (mgP/1) 13/11 8/7 4/4 P-PO4 10 6 3 P orgánico 3 2 1 Alcalinidad (mgCO3Ca/1) 300 250 200 Agua bruta/Agua decantada Fuente: CEDEX Carga por habitante = [12 a 14 gN/hab/d]

Composición típica de aguas residuales domésticas

Table 3-15 Typical composition of untreated domestic wastewater Concentrationª Contaminants Unit Low strength Modium strength High strength Solids, total (TS) mg/L 390 720 1230 Dissolved, total (TDS) mg/L 270 500 860 Fixed mg/L 160 300 520 Volatile mg/L 110 200 340 Suspended solids, total (TSS) mg/L 120 210 400 Fixed mg/L 25 50 85 Volatile mg/L 95 160 315 Settleable solids ml/L 5 10 20 Biochemical oxygen demand, 5 d, 20°℃ [BOD5, 20°C) mg/L 110 190 350 Total organic carbon (TOC) mg/L 80 140 260 Chemical oxygen demand (COD) mg/L 250 430 800 Nitrogen (tatal as N) mg/L 20 40 70 Organic mg/L 8 15 25 Free ammonia mg/L 12 25 45 Nitrites mg/L 0 0 0 Nitrates mg/L 0 0 0 Phosphorus (total as P) mg/L 4 Organic mg/L 1 2 4 Inorganic mg/L 3 5 10 Fuente: Metcalf&Eddy

Eliminación de nitrógeno amoniacal

¿Por qué eliminar nitrógeno amoniacal NH ? · Consumo de OD en los medios receptores. Demanda de oxígeno. · Es un nutriente: puede promover el desequilibrio del ecosistema acuático. Excesivo crecimiento de algas, agotamiento del oxígeno (eutrofización) · Toxicidad de N-NH2 para la vida acuática. Equilibrio entre NH4+ y NH3, ambas especies conviven en el agua. NH + NH2)+ H+

Toxicidad del N-NH3

¿Por qué eliminar nitrógeno amoniacal? · Toxicidad de N-NH3 para la vida acuática NH4+ NH3 + H+ Toxicidad aguda ~ 0,1 mg/L pH=7,5; T=15°C => Aprox. 1% de Namon es N-NH amon 3 100 0 90 10 80 20 70 30 60 40 (%)"HN 40℃- 50 50 4 -20℃ 40 30 70 4 0℃ 20 80 10 90 0 100 5 6 7 8 9 10 11 12 pH amon on < 10 mg N/L (%),HN N-NH3 < 0,1 mg/L => N

Eliminación de nitrógeno total

¿Por qué eliminar nitrógeno total? Es decir, además del NH4, otras especies como el NO3: · El nitrato es tóxico (metahemoglobinemia). Riesgo de contaminación de aguas superficiales o subterráneas que sean posteriormente utilizadas para abastecimiento para consumo humano. · Es un nutriente: puede promover el desequilibrio del ecosistema acuático. Excesivo crecimiento de algas, agotamiento del oxígeno (eutrofización)

Directiva 91/271 sobre el vertido de ARU

TABLA 5. REQUISITOS PARA LOS VERTIDOS PROCEDENTES DE INSTALACIONES DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS MEDIANTE TRATAMIENTO MÁS RIGUROSO (a) Concentración Porcentaje mínimo de reducción (b) Parámetros 10.000 a 100.000 h-e > 100.000 h-e Fósforo total 2 mg/L P 1 mg/L P 80 % Nitrógeno total (c) (mg/L N) 15 mg/L N (d) 10 mg/L N 70-80 % (a) Según la situación local se podrá aplicar uno o los dos parámetros. Se aplicará el valor de concentración o el porcentaje de reducción (b) Reducción relacionada con la carga del caudal de entrada (c) Nitrógeno total equivalente a la suma del nitrógeno Kjeldahl total (N orgánico y amoniacal), nitrógeno en forma de nitrato (NO3) y nitrógeno en forma de nitrito (NO2) (d) Estos valores de concentración constituyen medias anuales según el punto 3º del apartado A) 2 del Anexo III del RD. 509/96. No obstante, los requisitos relativos al nitrógeno pueden comprobarse mediante medias diarias cuando se demuestre, que de conformidad con el apartado A)1 del Anexo III se obtiene el mismo nivel de protección. En ese caso la media diaria no deberá superar los 20 mg/L de Nitrógeno total para todas las muestras, cuando la temperatura del efluente del reactor biológico sea superior o igual a 12 º C. En sustitución del requisito relativo a la temperatura, se podrá aplicar una limitación del tiempo de funcionamiento que tenga en cuenta las condiciones climáticas regionales

Nueva Directiva sobre aguas residuales urbanas (2024/3019)

NEW DIRECTIVE concerning urban wastewater treatment (2024/3019, December 2024) Parameters Concentration Minimum percentage of reduction39 Reference method of measurement (See Note 1 and 1-a) Total phosphorus (see Note 2) 0.7 mg/l (10 000 - 150 000 р.е.) 87,5 (10 000 - 150 000 p.e.) Molecular absorption spectrophotometry 0,5 mg/l (more than 150 000 p.e.) 90 (more than 150 000 р.е.) 'tertiary treatment': treatment of urban wastewater by a process which reduces nitrogen and/or phosphorus from urban wastewaters Total nitrogen (see Note 2) 10 mg/l (10 000 - 150 000 р.е.) 80 (see Note 1a) 8 mg/l (more than 150 000 р.е.) (see Note 3) Molecular absorption spectrophotometry Tertiary treatment should be systematically imposed to all urban wastewater treatment plants ≥ 150 000 p.e.

Eliminación biológica de N

Métodos de eliminación de nitrógeno

¿Cómo eliminar el nitrógeno? · Procesos físico-químicos: · Arrastre con aire (air stripping) 1 PH => T NH3 (gas) => arrastre con aire · Intercambio iónico Resinas artificiales o naturales (zeolitas) · Procesos biológicos

El ciclo del N en el tratamiento de aguas

Organic nitrogen (proteins, urea) El ciclo del N en el tratamiento de aguas Ammonification Bacterial decomposition and hydrolysis Assimilation Ammonia nitrogen (NH3 o NH 4) Organic nitrogen (bacterial cells) Organic nitrogen (net growth) Lysis and autooxidation O2 Nitrification Nitrite (NO2) Anaerobic ammonium oxidation (Anammox) Denitritation O2 E Denitrification Nitrate (NO3) Nitrogen gas (N2) Organic carbon

Procesos biológicos de eliminación de N

Procesos biológicos de eliminación de N · Asimilación (síntesis): N para crecimiento celular · Nitrificación/desnitrificación Otros procesos ("atajos" para eliminación de N): · Nitritación/desnitritación · Anammox

Eliminación de N por asimilación (síntesis)

Eliminación de N por asimilación (síntesis) 12% SSV . Eliminación DBO => crecimiento celular C,H_ON · Respiración endógena => se libera parte del N TSRT => 1 resp. endógena · Si digestión anaerobia fangos => = 50% del N se libera

Función de BOD/N y SRT

Eliminación de N por asimilación (síntesis) Función de BOD/N y SRT 35 30 BOD/N=6.0 Percent Nitrogen Removal -- - BOD/N=4.0 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 SRT, days 15-30 % de N afluente eliminado por síntesis YH=0,5 gVSS/gBOD bu=0,08 d-1 fa=0,08 Fuente: EPA, 2010

Nitrificación: fundamentos

¿Qué es? ¿Qué microorganismos? ¿Cómo? ¿ Qué reacciones? ¿A qué velocidad? ¿Qué factores influyen?

Proceso de nitrificación

¿Qué es? NH4+ + 3/2 02 -> NO2- + 2 H+ + H2O Nitritación NO2 + 1/2 O2 -> NO3" Nitratación NH4+ +(2 0) }> NO3- + 2 H+ + H2O Nitrificación Consumo de O2 Producción de H+ (acidez)

Microorganismos en la nitrificación

¿Qué microorganismos? NH + + 3/2 02 -> NO2- + 2 H+ + H2O Nitritación Bacterias oxidadoras de amonio AOB (Nitrosomonas y otras) NO2 + 1/2 02 NO3- Nitratación Bacterias oxidadoras de nitrito NOB (Nitrobacter y otras) NH++202->NO2 + 2 H+ + H2O Nitrificación Autótrofos Quimiótrofos Aerobios I Fuente de C: carbono inorgánico Fuente de energía: reacciones redox inorgánicas Aceptor de electrones: O2

Reacciones de nitrificación

¿Qué reacciones? · Oxidación (obtención de energía) · Consumo de alcalinidad (neutralizar H+) · Síntesis (formación de biomasa)

Reacciones de oxidación en nitrificación

¿Qué reacciones ?: OXIDACIÓN NH4+ + 3/2 02 -> NO2- + 2 H+ + H2O 3,43 g O2 / g N NO2 + 1/2 O2 -> NO3" 1,14 g O2 / g N NH4++2 02 -> NO3 + 2 H+ + H2O 4,57 g O2 / g N Para obtención de energía

Consumo de alcalinidad en nitrificación

¿Qué reacciones ?: CONSUMO ALCALINIDAD NH4++202 -> NO3 + 2 H+ + H2O 2 HCO3 + 2 H+ -> 2 CO2 + H2O NH ++(2 HCO2)+ 2 02-> NO3" + 2 CO2 + 3 H2O Unidades de alcalinidad: CO + CaCO 2 3 H2O -> Ca2+ + 2 HCO3" 7,14 g alcalinidad como g CaCO2 / g N-NH oxidado Ej. nitrificar 25 mg/L de NH4+ consume ~ 180 mg/L alcalinidad

Nitrógeno en aguas residuales urbanas y alcalinidad

Fuerte Media Débil Sólidos suspendidios totales (mgSST/1) 400/150 250/100 150/70 Fracción volatil (%) 75 75 75 . DBOs (mgO2/1) 300/210 225/160 135/95 DQ0 (mgO2/1) 700/500 500/350 300/200 Notrógeno total=TKN (mgN/1) 60/55 42/39 25/23 N-NO3 0 0 0 N-NH4 45 30 15 N orgánico 15/10 12/9 10/8 Fósforo total (mgP/1) 13/11 8/7 4/4 P-PO4 10 6 3 P orgánico 3 2 1 Alcalinidad (mgCO3Ca/1) 300 250 200 Agua bruta/ Agua decantada Fuente: CEDEX

Síntesis celular en nitrificación

¿ Qué reacciones ?: SÍNTESIS CELULAR 4 CO2 + HCO3 + NH4++ H2O C 5 H 7 O 2N + 5 O 2 Si se considera la síntesis celular: · Parte del NH4 se asimila · Menor necesidad de alcalinidad · Menor necesidad de oxígeno

Oxidación y síntesis en nitrificación

¿Qué reacciones ?: OXIDACIÓN + SÍNTESIS NH4+ + 1,83 O2 + 1,98 HCO3 -> 0,021 C5H_O2N + 0,98 NO3 + 1,041 H2O + 1,88 H2CO3 4,3 g O2/g N 7,07 g alcalinidad como g CaCO3/g N 2,1% del N para la síntesis de nitrificantes Valores de diseño (ligeramente conservadores) 4,57 g O2/g N 7,14 g alcalinidad como g CaCO3/g N