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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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Parámetros directos de respirometría

(Laboratorio)

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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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En la Leyenda se puede seleccionar el valor de OC y Rs conjuntamente, o solamente uno de ellos.

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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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Para visualizar el valor del OUR y SOUR vamos a Detalles

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Cálculo de parámetros y su valoración

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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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Diagrama de control de la nitrificación

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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.

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Diagrama de control de la desnitrificación

SURCIS, S.L.