Eliminación biológica de nitrógeno en un efluente con alta carga. Estudio de los parámetros del proceso y diseño de una depuradora industrial

Abstract

Existen diversos tipos de industrias que generan aguas residuales que contienen una elevada carga de nitrógeno amoniacal, tales como petroquímicas, farmacéuticas, de fertilizantes o alimentarias. Por esta razón la eliminación de nitrógeno de las aguas residuales no es sólo deseable sino que está explícitamente exigida por la Directiva Europea 91/271/EEC sobre tratamiento de aguas residuales urbanas. El proceso biológico de nitrificación-desnitrificación es el más empleado en la eliminación de nitrógeno.<br/>Una de las industrias que produce efluentes muy cargados en amonio es la de esmerilado de botellas de vidrio. El tratamiento biológico de este tipo de aguas residuales amoniacales presenta numerosas incógnitas y problemas, debido básicamente a tres motivos. Primero, la concentración de nitrógeno amoniacal de estos efluentes es de 5000 mg N·L-1, es decir, son aguas residuales con alta carga de nitrógeno. Además, no contienen materia orgánica, y no se puede realizar un proceso de desnitrificación sin contar con una fuente de carbono. Finalmente, estas aguas residuales contienen fluoruro, que es eliminado en su casi totalidad en un tratamiento físico-químico previo al biológico. No obstante, cabe la posibilidad de que, debido a algún problema en la depuración físico-química, llegue fluoruro al proceso biológico y actúe como un tóxico para los microorganismos. <br/>El trabajo se ha desarrollado en una planta piloto que trabajó ininterrumpidamente durante casi tres años, tratando efluentes industriales reales y con dos configuraciones diferentes. Durante este periodo se determinó la necesidad de adicionar dos reactivos al proceso. Se precisa carbonato sódico porque no hay suficiente alcalinidad en el agua residual para realizar la nitrificación y, además, se necesita materia orgánica fácilmente biodegradable porque tampoco hay suficiente para realizar la desnitrificación. <br/>Esta tesis doctoral tiene dos objetivos principales. El primero de ellos es el diseño de un sistema de tratamiento biológico para el efluente industrial. El segundo objetivo consiste en la realización de un estudio genérico de los principales parámetros que afectan a la eliminación biológica de nitrógeno en alta carga en un sistema de lodos activos.<br/>Los primeros cuatro capítulos de la tesis forman el apartado del estudio de los parámetros del proceso. En estos capítulos se estudia: <br/>- El efecto de la relación DQO/N del afluente sobre la nitrificación y la desnitrificación.<br/>- La nitrificación y el efecto de la temperatura sobre el proceso en un sistema de lodos activos nitrificantes.<br/>- La desnitrificación y el efecto de la fuente de carbono y de la temperatura sobre el proceso en un sistema desnitrificante. <br/>- La inhibición de la nitrificación por tres sustancias diferentes: amonio, nitrito y fluoruro.<br/>Los siguientes capítulos describen el desarrollo de un sistema de control y un modelo matemático del proceso. <br/>En conclusión, con los resultados obtenidos de este trabajo, se diseñó un sistema eficaz de tratamiento biológico para un agua residual con alta carga de nitrógeno. Este diseño se ha convertido en un proyecto de ingeniería que ha finalizado con la construcción de una depuradora a escala industrial.

There are many different kinds of human activity that generate wastewater with large quantities of ammonium: petrochemical, pharmaceutical, fertiliser and food industries, leachates produced by urban solid waste disposal sites or waste from pig farms. For this reason, the European Directive for the treatment of urban wastewater 91/271/EEC explicitly demands the removal of ammonium from wastewater. The BNR process is the most common method for removing ammonium from wastewater.<br/>The industries that frost bottles produce high-strength ammonium wastewater. There are three reasons to consider the biological treatment of this wastewater as a very complex process. First of all, the ammonium concentration is 5000 mg N·L-1. Secondly, it hasn't organic matter and it is not possible to achieve a complete denitrification. Finally, this wastewater contains fluoride, which is removed by a physical-chemical process. However, if there is any problem in this process, the fluoride could enter to the biological treatment and could inhibit the nitrification process.<br/>The study has been developed in a pilot plant. The pilot plant worked in continuous for three years with two different configuration: single and two-sludge systems. In the first configuration, the requirement of two new compounds was assessed: sodium bicarbonate as alkalinity source for the nitrification and biodegradable organic matter as carbon source for the denitrification. <br/>The main objectives of this PhD are: the design of a biological treatment for this wastewater and the study of the most important parameters of the biological nitrogen removal (BNR) process with high-strength ammonium wastewaters.<br/>The first four chapter explain the study of the most important parameters of the BNR:<br/>- Effect of the influent COD/N ratio on BNR process.<br/>- Effect of temperature on nitrification of high-strength ammonium wastewater.<br/>- Effect of temperature and external carbon source on denitrification of high-strength ammonium wastewater.<br/>- Inhibition of the nitrification by ammonium, nitrite and fluoride.<br/>The others chapters explain the development of an control system of the process and a mathematical model.<br/>Finally, a biological treatment system for this wastewater was designed.