|
|
Eduardo de Elío y de Elío*
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Área de Medio Ambiente. INYPSA (Informes y Proyectos, S.A.)
INTRODUCCIÓN |
|
PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA |
|
EL PROCESO |
Nitrógeno |
EL STRIPPING DE FÓSFORO |
|
LA PUESTA EN PRÁCTICA |
|
Descriptores: Eliminación de nutrientes, Proceso biológico
La calidad necesaria que deben tener las aguas superficiales para garantizar los usos a los que se destinan, ha de estar en unos niveles aceptables para además poder ser el sustento de una variada cantidad de especies animales y vegetales de las que, no nos olvidemos, dependen muchas otras, que aunque pueden soportar niveles ínfimos en la calidad de las aguas, no pueden sobrevivir sin la existencia de estas otras.
Existen casos, cada vez más frecuentes, en que por necesidades de determinados usos aguas abajo del vertido se hace preciso acudir a la eliminación de los nutrientes. Tal es el caso de vertidos a embalses utilizados para el abastecimiento de aguas potables, como por ejemplo la depuradora de Villalba de la Comunidad Autónoma de Madrid, operada por el Canal de Isabel ii, que vierte al río Guadarrama aguas arriba del embalse de Valmayor, que se utiliza para el abastecimiento de Madrid.
Como esta situación –necesidad de una calidad determinada en ciertos tramos de río para garantizar los usos previstos para ese tramo– se repite continuamente, el Plan Hidrológico establece la necesidad de, primero, asignar objetivos de calidad en función de los usos a los tramos de los ríos, y segundo, definir el grado de depuración a alcanzar para poder garantizar los objetivos de calidad asignados.
La depuración de las aguas contempla normalmente la eliminación de la DBO, y ciertamente, es un gran paso el conseguir que toda la población esté conectada a algún sistema de depuración, pero se dan casos en los que esto no es suficiente, pues en las aguas residuales, además de muchos otros elementos, existen cantidades apreciables de fósforo y nitrógeno. El efecto que estos dos elementos causan en las aguas es variable en función de muchas circunstancias, tales como capacidad de aireación de la corriente, temperatura, profundidad, cantidad de oxígeno disuelto, etc. A estos elementos se los conoce como nutrientes, y junto con el carbono, constituyen los tres nutrientes básicos que producen la eutrofización de las masas de agua libres, estando aceptado por todos que es necesario evitar y controlar este estado de exceso de capacidad nutritiva en las aguas, ya que condiciona en gran medida los usos a los que pueden ser destinadas.
Se define como nutriente aquella sustancia que un organismo animal o vegetal utiliza como fuente de energía o como parte de su engranaje metabólico.
Como ya se ha dicho, son tres los nutrientes básicos, carbono, nitrógeno y fósforo, limitantes del crecimiento algal y de la eutrofización. Generalmente el carbono se encuentra presente en cantidad suficiente. El nitrógeno, al tener vida aérea, puede entrar al sistema a través no sólamente del agua, proveniente de vertidos que lo contienen, sino que, además, puede fijarse por la interfase agua-aire. El fósforo, por el contrario, no tiene ciclo aéreo, y sólo puede llegar a las aguas a través de vertidos, ya sean líquidos, en forma de aguas residuales, o sólidos, en forma de restos vegetales, animales muertos, etc.
Para comprender en su justa medida el problema al que nos enfrentamos para la eliminación de los nutrientes por vía biológica, resulta ilustrativo el siguiente ejemplo:
Sea una población de 1.000.000 de habitantes. Para la eliminación del nitrógeno es necesario realizar una aireación prolongada, tal y como veremos más adelante, lo que requiere una carga másica de, como mucho, 0,1 kg DBO/kg MLSS. A razón de 60 g/hab.día de DBO, y suponiendo una concentración en cubas de 4 mg/l de MLSS, necesitaremos un volumen de reactor de unos 150.000 m3. Suponiendo una profundidad de unos 4 m, necesitaremos una superficie de unas 3,75 ha. Sólo para la cuba de aireación. Esto llevará parejo un sistema de clarificación que, como poco, supondrá una superficie de cerca de 2 ha. Las necesidades energéticas para aireación y agitación pueden cifrarse en unos 5.250 kW. Imagínese una cuba de 100 x 375 x 4 m seguida de un decantador de unos 160 m de diámetro.
Esto es sólo para el reactor biológico. Hay que unir las necesidades de pretratamientos, decantación primaria, tratamiento de lodos, stripping de fósforo, etc.
La eliminación de nutrientes se denomina tratamiento terciario, por extensión a los tratamientos previos, primario y secundario o biológico. Existen distintas tecnologías, que, básicamente, son biológicas o físico-químicas. Únicamente en el caso de un proceso físico-químico colocado después de un biológico, tiene sentido el concepto de tratamiento terciario, pues los procesos biológicos para la eliminación de los nutrientes se integran en el proceso de depuración como un secundario.
Para entender mejor cómo se puede eliminar por vía biológica el nitrógeno y el fósforo, resulta muy interesante comprender cómo funciona el proceso de eliminación de cada nutriente, en función del metabolismo de las bacterias que lo realizan.
La defosfatación biológica parte del hecho de que bajo ciertas condiciones, se pueden desarrollar bacterias que son capaces de absorber fosfatos del agua, en cantidad superior a la necesaria para el funcionamiento de su metabolismo.
Estas bacterias, entre otras del género Acinetobacter, son capaces de acumular más fosfatos de lo necesario para su subsistencia, reduciendo así la concentración de esta sustancia en el agua. Requieren ácidos volátiles para su crecimiento, lo que implica un estado anaerobio, pero precisamente en este estado, el fósforo acumulado es retornado al agua. De forma resumida, sucede lo siguiente:
La célula utiliza su energía acumulada para metabolizar los ácidos volátiles, llenando así su stock de sustratos carbonosos y vaciando su stock de polifosfatos en forma de fosfatos al agua.
La célula asimila los fosfatos presentes en el agua. Los fosfatos inorgánicos son convertidos en polifosfatos de alto contenido energético que se acumulan en la célula. Para realizarlo, metaboliza las materias carbonosas acumuladas, retornando al agua CO2 y H2O. La célula vacía su stock de sustratos carbonosos, llena el stock de polifosfatos y además se multiplica. A este efecto de acumular más fósforo del que se necesita para la subsistencia se le denomina “Luxury uptake” y es la base del tratamiento moderno para la eliminación del fósforo de las aguas residuales.
La desnitrificación biológica parte del principio de que ciertas bacterias, bajo ciertas condiciones, pueden transformar el nitrógeno presente en forma de nitratos en nitrógeno elemental.
Es importante no olvidar que el nitrógeno elemental se produce por la acción de ciertas bacterias heterótrofas facultativas que han de partir del nitrógeno en forma inorgánica. Esto significa que previamente el nitrógeno debe pasar a este estado. El nitrógeno presente en las aguas residuales está en forma de nitritos, nitratos, amoníaco y nitrógeno orgánico. El grave problema de la eliminación del nitrógeno reside precisamente en la transformación del nitrógeno orgánico en amoníaco. Para que esta reacción se produzca es necesario que previamente se haya oxidado el carbono. Esta es la razón por la que se debe trabajar con un reactor de oxidación total. Si no se trabaja en aireación prolongada, sólo se conseguirá, y con suerte, desnitrificar el amoníaco y los nitritos y nitratos presentes en el agua. No se puede desnitrificar el nitrógeno orgánico si no se trabaja en aireación prolongada.
Una vez que el nitrógeno orgánico se ha transformado en amoníaco, éste es transformado en nitritos por la acción de las bacterias denominadas Nitrosomonas, y éstos, a su vez, son transformados en nitratos por las bacterias llamadas Nitrobacter, siempre y cuando se den las siguientes condiciones:
— Ausencia de compuestos orgánicos no oxidados.
— pH mayor de 6,5. A pH 8 se obtiene el óptimo rendimiento.
— Temperatura óptima entre 28 y 32 °C; por debajo de 10 °C no hay reacción.
— El oxígeno disuelto debe ser mayor que 1,5 mg/l. Es importante prever las necesidades de oxígeno. Para producir 1 kg de N2 se necesitan 4,57 kg de O2.
— La edad del fango debe estar entre 4 y 6 días, pues de lo contrario no aparecen los Nitrosomas y los Nitrobacter, ya que el crecimiento de estas bacterias es muy lento.
Las reacciones que se producen son:
|
La desnitrificación se produce, como ya se ha dicho, por la acción de bacterias heterótrofas facultativas, que en ambiente anóxico son capaces de utilizar el oxígeno de los nitratos para oxidar carbón y producir CO2, pero recuérdese que el carbón se había oxidado ya para poder después convertir el nitrógeno orgánico en amoníaco; luego, al no tener carbón disponible, es necesario aportar un compuesto carbonoso muy fácilmente y rápidamente metabolizable. Se suele utilizar metanol, produciéndose la siguiente reacción:
 |
Se deben reunir las siguientes condiciones:
— Ambiente anóxico, lo que significa concentración nula de oxígeno y tendencia a la oxidación. Tendremos una concentración casi nula de oxígeno disuelto y un potencial redox alto, causado por la acción de las bacterias heterótrofas facultativas.
— pH de 6,5 a 8.
— Relación DBO/N de 4 a 5. Además, como ya se ha dicho, esta DBO debe ser muy fácilmente metabolizable.
Superposición y principio de funcionamiento del reactor
Si analizamos las necesidades y condiciones que deben darse para cada proceso de eliminación, vemos que en ambos casos es necesaria una alternancia de condiciones anaerobias, anóxicas, aerobias, y que las condiciones que se precisan para el proceso de eliminación de uno de los nutrientes no impiden el del otro. Resulta ilustrativo ver qué sucede en cada fase con cada bacteria y cada nutriente:
Interviene el Acinetobacter, que toma los ácidos grasos de cadena corta presentes en el agua y los acumula en forma de reservas carbonosas, utilizando para ello la energía que había acumulado. Libera fósforo en forma de fosfatos inorgánicos. El nitrógeno pasa a forma amoniacal siempre y cuando el tiempo de estancia sea suficiente.
Intervienen las bacterias heterótrofas facultativas que oxidan materia carbonosa fácil y rápidamente oxidable utilizando el oxígeno de los nitratos presentes, liberando nitrógeno elemental.
Interviene el Acinetobacter, que toma del agua los fosfatos inorgánicos y los bioacumula (Luxury uptake), consume sus reservas carbonosas y se multiplica. En este momento la concentración de fósforo en el agua es mínima.
Intervienen las Nitrosomonas y los Nitrobacter que oxidan el amoníaco a nitritos y nitratos. En este momento la concentración de amoníaco es mínima y la de nitratos máxima. Se hace necesario proceder a recircular el agua a la zona anóxica para que se produzca la desnitrificación. Así mismo, necesitamos sacar el agua, ya que tenemos concentración mínima de fósforo.
Como puede verse, el hecho de producir en este momento una fuerte recirculación de licor mixto a la zona anóxica es lo que permite liberar el nitrógeno, teniendo así el vertido final un contenido aceptable de nitratos, y mínimo de amoníaco y nitrógeno orgánico. A su vez, el vertido tendrá una mínima cantidad de fósforo.
Como en todo proceso biológico, el licor mixto pasará a un clarificador. El lodo se recirculará al reactor y se purgará a la línea de lodos.
Se debe prestar especial atención al diseño de la clarificación, ya que se comprende que si el lodo entra en anaerobiosis, comenzará a liberar fosfatos. Por consiguiente, el tiempo de estancia del lodo en el clarificador debe ser mínimo.
En la figura 1 se esquematiza el funcionamiento de un reactor biológico para realizar estas eliminaciones.
|
Fig. 1. Esquema del funcionamiento de un reactor biológico en la eliminación del nitrógeno y el fósforo. |
Hasta aquí se ha descrito un proceso mediante el cual conseguimos producir nitrógeno que liberamos en forma gaseosa, y un lodo que está sobrecargado de fósforo, y que puede ser una bomba de relojería, pues en cuanto pase a un estado de falta de oxígeno liberará gran cantidad de fósforo. El proceso, por consiguiente, debe contemplar qué se debe hacer con el lodo y su tratamiento.
Obsérvese que el proceso descrito para la eliminación de fósforo, lo que realmente hace es acumularlo en el lodo, y para ello lo único que se requiere es una cámara anaerobia y otra aerobia. El condicionante de la aireación prolongada viene impuesto por la eliminación del nitrógeno, por lo que es planteable la remodelación de plantas existentes para el tratamiento del fósforo, sin más que modificar de forma muy sencilla el reactor biológico mediante una pantalla, y la línea de lodos de la forma que a continuación se expone.
Como sabemos, las purgas de lodos están cargadas de fósforo bioacumulado, y el problema reside, en este momento, en quitar el fósforo sin que retorne al agua de vertido de la planta.
Además de los procesos biológicos para la eliminación del fósforo, están los físico-químicos, que, básicamente, consisten en obtener un lodo químico con alto contenido en fósforo y un agua con un bajo contenido. Para ello se dosifican sales solubles de hierro, aluminio y calcio. El rendimiento de estos procesos puede ser alto, pero el costo de su aplicación a la totalidad del caudal entrante en planta es también muy elevado y no se suelen conseguir las bajas concentraciones que se desean en el efluente.
Por el contrario, si aplicamos estos reactivos a una corriente de agua de menor caudal pero de una muy alta concentración en fosfatos, podremos conseguir unos rendimientos altísimos a unos costos mucho más reducidos. En este principio tan sencillo se basa el stripping de fósforo. Si hacemos pasar las purgas de lodo sobrante por una cámara anaerobia se producirá un intercambio de fosfato de sólido (lodo) a líquido (agua de purga), o sea, un stripping de fosfato. Los sobrenadantes de esta cámara irán cargados de fosfatos, y el lodo estará libre del mismo. Este lodo, lo purgaremos del sistema o lo retornaremos al reactor para mantener constante la masa de sólidos. Por su lado, el sobrenadante cargado de fosfatos resulta ser un líquido ideal para ser sometido a un proceso físico-químico, pues constituye un bajo caudal muy concentrado. El proceso, en esencia, es el siguiente:
— Mediante la dosificación de una sal adecuada se forma un compuesto “fosfático” poco soluble.
— Se forman hidróxidos poco solubles con carga positiva y muy sedimentables.
— Las sales “fosfáticas” y los fosfatos orgánicos se adsorben a las partículas de hidróxido.
— Las partículas coloidales de carga negativa se neutralizan y coagulan.
El resultado de estos procesos es que sedimentan los compuestos insolubles, y se pueden separar de la fase líquida. En la práctica se suelen utilizar sales férricas, tales como FeCl3, FeSO4, FeClSO4; sales alumínicas tales como AVR (sal de aluminio, hierro 3 y sulfato); PAX (polímeros de aluminio); Alton (Al2O3 en NaOH). También se pueden utilizar baños residuales de los procesos de anodizados y calcio en forma de cal viva o de hidróxido de calcio.
Las reacciones dependen del pH. En el rango normal de pH de las aguas que se generan en el stripping, se pueden obtener buenos resultados con sales férricas y alumínicas.
La reacción es estequiométrica, aunque se suele dosificar con un excedente.
Para la defosfatación con calcio se requiere subir el pH hasta 9-11, lo cual se consigue con la misma dosificación de cal. En este caso, la cantidad de reactivo a dosificar se fija en función del pH a conseguir, y no por la cantidad de fosfato a precipitar.
En ambos casos se obtiene un lodo físico-químico que es necesario tratar como un residuo, aunque puede ser útil para su aplicación agrícola. El agua excedente se conduce a cabecera de planta constituyendo un circuito cerrado dentro del proceso global de depuración.
La puesta en práctica de los procesos descritos para la eliminación del nitrógeno y del fósforo se basa siempre en la alternancia de fases anaerobias, anóxicas, aerobias y en la existencia del stripping de fósforo. En la figura 2 se presentan los esquemas de los distintos procesos, los cuales, como ya se ha dicho, siguen una misma filosofía básica.
|
Fig. 2. Esquemas de los distintos procesos aplicados para la eliminación del nitrógeno y el fósforo. |
Especial mención merece, por la curiosidad de su operativa, el proceso Biodenipho, que es el sistema modificado del Biodinitro. El sistema consiste en un tanque anaerobio y dos tanques paralelos de aireación con alimentación y aireación intermitente. El depósito anaerobio sirve para crear las condiciones para la defosfatación. Los tanques de aireación son diseñados como un sistema convencional de nitrificación-desnitrificación por depósitos combinados, sistema biodinitro. Mediante una interconexión entre los dos tanques y un sistema de válvulas de entrada y salida, se puede dirigir el afluente alternadamente a uno u otro tanque de aireación. Éstos están provistos de mezcladores y aireadores, por lo que en cada tanque pueden crearse condiciones aerobias y anóxicas. La desnitrificación ocurre en la cámara no aireada, mientras que la nitrificación se produce en la aireada. El proceso se produce en cuatro fases, tal y como quedan representadas en la figura 3:
|
Fig. 3. Esquema de las cuatro fases del proceso Biodenhipo. |
A: Afluente a tanque 1 sin aireación, pasando su contenido al tanque 2 con aireación y el contenido de este último a clarificación.
B: Afluente del tanque 2 con aireación, pasando su contenido al clarificador. Mientras tanto el tanque 1 está en aireación sin alimentación.
C: Afluente del tanque 2 sin aireación, pasando su contenido al tanque 1, que está con aireación. El contenido del tanque 1 pasa al clarificador.
D: Afluente a tanque 1 en aireación, pasando su contenido al clarificador. El tanque 2 está en aireación sin alimentación.
