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Protocolo de análisis y control de la nitrificación &
desnitrificación en un proceso de fangos activos
en el marco de la optimización energética
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Reactivos a utilizar en los ensayos de respirometría
Reactivo Applicaciones Comentarios
Acetato sódico Estándar orgánico de referencia
Determinación del coeficiente de crecimiento de la
biomasa heterótrofa (YH)
Puede haber otras aplicaciones.
Sulfato de Zinc Floculación del agua residual, como primer paso para
conseguir una muestra realmente soluble (el 2º paso
sería la filtración a 0.45 µm) para la determinación de
la DQO rápidamente biodegradable (DQOrb)
Cuando el agua residual proviene de la salida de una primera
decantación con un elevado grado de decantabilidad, algunas
veces no es necesaria la utilización del sulfato de zinc.
Alil Tiourea (ATU) Inhibición de la nitrificación
Solo es necesario cuando hay nitrificación.
Cloruro de amonio Estándar de nitrógeno amoniacal en ensayos de nitrificación [1 mg NH
4Cl = 0.26 mg NH
4-N]
Solo es necesario cuando hay nitrificación .
Fango activo
Fango activo Applicaciones Comentarios
Fango endógeno Determinación del coeficiente de crecimiento de la
biomasa heterótrofa (YH)
Medida de la DQOrb
Es interesante hacer el OUR endógeno (ver manual)
Fango de cabecera
de la zona de
desnitrificación
Determinación del OURDN, proporcional a la tasa de
remoción de nitrato (NUR)
En caso de analizarse el nitrato de cabecera y final de la zona
de desnitrificación, se contrastará el resultado de la tasa
actual de remoción de nitrato con el NUR estimado desde el
ensayo OURDN
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Parámetros directos de respirometría y parámetros calculados
Parámetro respirometría
(Laboratorio)
Descripción Principales parámetros
calculados
Descripción
Rs.N (mg O2/l.h)
Tasa de respiración por
nitrificación
AUR (mg N-NH4/l.h)
AURr (mg N-NH4/l.h)
AUR: Tasa de nitrificación a OD actual
AURr: Tasa de nitrificación requerida
YH (O2/DQO)
Coeficiente de rendimiento de
biomasa heterótrofa referido al
oxígeno
Valoración de la
salud de la biomasa
Análisis del valor en el rango habitual
DQOrb (mg/l)
DQO soluble rápidamente
biodegradable de entrada a zona
de desnitrificación
DQOrb(DN)
DQOrb correspondiente a la materia
carbonosa necesaria para la
desnitrificación
OURDN (mg O2/l.h)
OUR del fango activo del inicio de
la zona anóxica de la
desnitrificación
NUR
SDNR
Tasa de desnitrificación estimáda
Tasa específica de desnitrificación
Toxicidad (I%)
Solo en caso de que se haga
Ver manual de aplicaciones Ver manual de aplicaciones
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Tasa de respiración por nitrificación a oxígeno máximo
Para llevar a cabo este ensayo R, haremos uso de 1 litro de fango activo en fase endógena y cloruro de amonio con una concentración de
amonio equivalente a la que se quiere nitrificar. Para ello se tendrá en cuenta la siguiente relación: [ClNH4] (mg/L) = SN (mg/L) / 0.26
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El respirograma Rs empieza cuando añadimos la dosis de cloruro de amonio al volumen de 1000 ml de fango en fase de respiración endógena.
Tan pronto se alcanza la meseta de la tasa de respiración maxima (Rs.max) podemos parar el ensayo o añadirle dosis de 1 ml de una solución
de ATU (100 mg de ATU en 100 ml de agua destilada) para inhibir la nitrificación y calcular la cantidad de mg de ATU (1 mg ATU = 1 ml de la
solución) que son necesarios para anular la actividad de la biomasa autótrofa.
Para visualizar el valor de Rs máximo vamos a Detalles:
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Coeficiente del rendimiento en el crecimiento de la biomasa heterótrofa (YH)
Normalmente el coeficiente YH se determina desde un compuesto estándar (acetato sódico) por medio de un ensayo tipo R.
Las condiciones del ensayo son las de un ensayo R, en donde se utiliza fango en respiración endógena y 30 ~ 50 ml de muestra desde una
solución de acetato sódico de 400 mg en 1 litro de agua destilada.
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Para visualizar el valor de OC vamos a Detalles:
El valor de YH se calcula del siguiente modo:
YH = 1 - CO / DQOac
DQOac: DQO de la solución de acetato
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Oxígeno consumido y DQO rápidamente biodegradable
Se obtiene mediante un ensayo R desde un muestra de agua residual soluble del influente al reactor (*)
(*) Muestra soluble: Se añade un coagulante (sulfato de zinc) al agua residual, dejar sedimentar y filtrar el sobrenadante a 0,45 micras.
El ensayo se lleva a cabo con 1 litro de fango activo en fase de respiración endógena. El volumen de muestra de agua residual (Vm) a analizar
puede estar entre 30 y 50 ml, programar la velocidad de la bomba peristáltica a 2 y la aireación al nivel de 55.
Si la concentración de SSVLM es baja, el ensayo se puede ralentizar excesivamente. En este caso, es aconsejable utilizar fango de recirculación
después de airearse durante al menos 30 min.)
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En la Leyenda se puede seleccionar el valor de OC, DQOb y Rs conjuntamente, o solamente uno de ellos.
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Para visualizar el valor de OC y DQOrb vamos a Detalles:
Cuando se trata de muestra de agua residual soluble, la DQOb que se visualiza es la DQOrb
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OURDN
Este ensayo OUR & SOUR se lleva a cabo con fango recogido desde la cabecera del proceso de desnitrificación (en zona anóxica) en las mismas
condiciones de temperatura y pH.
En el caso de que el fango estuviera excesivamente cargado de sustrato orgánico y tuviéramos dificultades para la realización del OUR, podemos
diluirlo y luego aplicar el factor de dilución al resultado obtenido.
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DQO soluble rápidamente biodegradable
Valoración de la DQOrb
Por relación con la DQO
DQOrb / DQO = 0.15 ~ 0.3
Por relación de la carga másica de la DQOrb con la carga másica de la DBO
[F/M (DQOrb)] / [F/M (DBO)] = 0.3 ~ 0.6
En el caso de que la F/M (DQOrb) sea excesiva, pueden aparecer problemas de espumas
Fuentes: Univ. Nancy – Escuela Nacional Superior de Industrias Químicas Operation of Municipal Wastewater Treatment Plants – Task Force of WEF
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Por relación con NTK
DQOrb/NTK
en r. biológico aerobio
Fracción de bacterias
nitrificantes en SSVLM (FN)
Tasa de nitrificación
>1.2
Baja Baja
0.7 – 1.2
Moderada Moderada
< 0.7
Alta Alta
Nitrificación
Concentración de amonio
Amonio actual que se está nitrificando
SN = = NTKO - NOe - SNe
SN: Concentración de amonio que actualmente se está nitrificando (mg N-NH4/l.h)
NTKO: Nitrógeno Total Kjeldahl en afluente a reactor biológico (mg N/l) ≈ 0.9 NT (en caso de que solo se utilice el NT)
NOe: Nitrógeno orgánico soluble en efluente ≈ 1 a 2 (mg N/L)
SNe: Amonio en efluente (mg N-NH4/l.h)
Amonio que se requiere nitrificar
SNr = NTKO - NOe - SNr.e
SNr: Concentración de amonio que se requiere nitrificar (mg N-NH4/l.h)
SNr.e: Concentración de amonio requerida en el efluente (mg N-NH4/l.h)
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Tasa de nitrificación
Tasa de nitrificación actual
AUR = (Rs.N / 4.57) * OD / (KOD + OD)
AUR: Tasa de nitrificación a oxígeno actual (mg N-NH4/l.h)
OD: Oxígeno disuelto medio a operar en el reactor aerobio (mg/l)
KOD: Constante de semi-saturación por oxígeno = 0.5 (Valor habitual)
Tasa de nitrificación requerida para una nitrificación suficiente
AURr = AUR * [1 + (SNr - SN) / SN]
Condición para una nitrificación eficiente: AUR ≥ AURr
Procedimiento global para el reajuste del OD, SSLM y edad del fango para conseguir una nitrificación
eficiente y estabilización del fango, bajo el marco de una optimización energética
Bajo condiciones estables de pH y temperatura, el valor del AUR depende del OD y de la concentración de SSLM y por lo tanto, también de la
edad del fango (TRC)
1. Mantener las condiciones adecuadas de nitrificación
No se debe tratar de optimizar la energía si el proceso no está operando en condiciones adecuadas.
El tratar de optimizar la energía en condiciones inadecuadas puede provocar un deterioro progresivo de la salud de la biomasa que puede derivar
en graves problemas.
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CONDICIONES INICIALES PARA EL DESARROLLO NORMAL DE LA NITRIFICACIÓN
C/N < 5
pH 7.5 a 8
T (ºC) 12 a 30
OD (ppm) 1.5 a 3
Sin inhibidores & compuestos tóxicos Cloro libre residual- Metales pesados – Cianuro – Fenoles –
Amoniaco libre – Ácido nitroso - Acumulación de nitritos - Otros
2. Fijar valores coherentes de SSLM, Edad del fango y Carga másica.
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3. Hacer uso de la ecuación del AUR para ir variando el valor OD hasta alcanzar un AUR igual o lo más cercano posible al AUR requerido
(AURr)
AUR = (Rs.N / 4.57) * OD↑↓ / (KOD + OD↑↓)
En el caso de que el rendimiento medio de la nitrificación sea suficientemente bueno sin llegar a que AUR sea similar a AURr, no sería
necesario seguir variando el valor de OD, y ya se puede establecer un nivel de OD mínimo operativo. Pasaríamos entonces a reajustar
la edad del fango.
4. En caso de un bajo rendimiento de la nitrificación, en donde al subir el valor de OD no se consigue alcanzar / acercarse suficientemente al
valor AURr, podremos entonces subir la concentración de SSLM gradualmente y, por lo tanto, la edad del fango.
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Desnitrificación
Materia carbonosa para la desnitrificación
Nitrato a desnitrificar
N-NO3 = f * SN - Norge - N-NO3e
N-NO3: Nitrato a desnitrificar (mg/l)
SN: nitrógeno a nitrificar en la zona aerobia
Norge: nitrógeno orgánico en el efluente de planta = 1 ~ 2 mg/l
N_NO3e: nitrato en el efluente de planta
f = Qi / (Qi + Qre + Qri)
Fuente: Environmental Biotechnology: Concepts and Applications - Editado por Hans-Joachim – 2005
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Materia carbonosa que actualmente está disponible para la desnitrificación
S = DQOrb / [0.9 (1 – YH)]
S: Materia carbonosa actual para la desnitrificación (mg/l)
DQOrb: DQO rápidamente biodegradable del afluente a la zona de desnitrificación (mg/l)
Materia carbonosa requerida para la desnitrificación
Sr ≥ 2.86 * N-NO3
Sr: Materia carbonosa requerida (mg/l)
DQOrb requerida para la desnitrificación
DQOrb.r = Sr / [0.9 (1 – YH)]
Valoración de la DQOrb necesaria para la desnitrificación
Valoraremos el valor calculado de la DQOrb.r comparándolo con el valor de la DQOrb del afluente a la zona de desnitrificación.
En caso de una desnitrificación parcial por falta de DQO soluble biodegradable, la diferencia entre DQOrb actual y la DQOrb.r nos indicaría la
cantidad de DQOrb adicional que se necesita.
DQOrb adicional = DQOrb.r – DQOrb (afluente)
Luego, desde la relación DQOrb/DBO (≈ 0.4) o DQOrb/DQO (≈ 0.2), calcularíamos la DBO o DQO requerida.
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Tasa de desnitrificación
Estimación de la tasa de remoción de nitrato
NUR = OURDN / 2,86
NUR: Tasa de remoción de nitrato [mg N-NO3 / (l.h)] Fuentes: E.CHOI and R.DAEHWAN. 2000. Korea University - W.W. Eckenfekder & J.L. Musterman – 1995
EL VALOR DEL NUR ES ESTIMADO Y SE DEBE CONTTRASTAR CON EL RENDIMIENTO DEL NITRATO ELIMINADO
Cálculo de la tasa específica de desnitrificación
Desde el valor del NUR calcularemos el valor de la tasa específica de nitrificación (SDNR)
SDNR = 0,024 * NUR / VSS
SDNR: Tasa especifica de desnitrificación [mg N-NO3 / (gVSS.d)]
Valoración del SDNR
La valoración de SDNR puede realizarse por comparación con los valores de la siguiente tabla de referencia:
Fuente: Long Island Sound Training – Nitrogen Removal - 2003 (EPA)
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Procedimiento para el control de la desnitrificación
1. Mantener las condiciones adecuadas de desnitrificación
CONDICIONES INICIALES PARA EL DESARROLLO NORMAL DE LA DESNITRIFICACIÓN
S/N-NO3 ≥ 3
pH 6.5 a 8
T (ºC) 12 a 30
OD (ppm) < 3
Sin inhibidores & compuestos tóxicos Típicos de la biomasa heterótrofa: metales, cianuros, fenoles,…
2. Comprobar que existe suficiente materia carbonosa rápidamente biodegradable para acometer el proceso.
3. Aunque no exista suficiente DQO rápidamente biodegradable (DQOrb) para el proceso, conviene comprobar la normalidad del valor SDNR
(comparando con tabla de referencia)
4. Si el SDNR es normal, pero no existe suficiente DQOrb, tendrá lugar una eliminación parcial del nitrato a desnitrificar.
5. Si existe suficiente DQOrb pero el SDNR es sensiblemente menor de lo normal, es probable que los SSVLM no estén proporcionando la
suficiente biomasa heterótrofa facultativa y habrá que subir su concentración.
6. Antes de subir los SSVLM conviene volver a revisar las condiciones, incluyendo la presencia de algún posible inhibidor.
7. Si tanto la DQOrb como el SDNR son normales, pero el rendimiento para la desnitrificación es escaso, lo más probable es que el TRH
dedicado a la zona de desnitrificación es corto.
8. Si finalmente, la DQOrb, el SDNR y el TRH son suficientes, el rendimiento del proceso de la desnitrificación será bueno.