TEMA 14. PROCESOS DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS IV: TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS ANAEROBIOS Y ELIMINACIÓN DE NUTRIENTES 14.1. METABOLISMO ANAEROBIO Y PARÁMETROS DEL PROCESO 14.2. SISTEMAS DE TRATAMIENTO ANAEROBIO CON BIOMASA EN SUSPENSIÓN 14.2.1. DIGESTIÓN ANAEROBIA CONVENCIONAL 14.2.2. PROCESO ANAEROBIO DE CONTACTO 14.2.3. UASB 14.3. SISTEMAS DE TRATAMIENTO ANAEROBIO CON BIOMASA FIJA 14.3.1. LECHOS FIJOS 14.3.2. LECHOS FLUIDIZADOS 14.3.3. DIGESTIÓN ANAEROBIA EN DOS FASES 14.4. COMPARACIÓN DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO BIOLÓGICO 14.5. ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES 14.5.1. ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO 14.5.2. ELIMINACIÓN DE FÓSFORO

OBJETIVOS DEL TEMA Comprender los fundamentos del metabolismo anaerobio y los principales factores a considerar en el diseño Conocer los principales sistemas de tratamiento anaerobio con biomasa en suspensión (digestión convencional, proceso de contacto y UASB), así como las principales características de los equipos, modo de operación y aplicabilidad Conocer los principales sistemas de tratamiento anaerobio con biomasa fija (lechos fijos y fluidizados y digestión en dos fases), así como las principales características de los equipos, modo de operación y aplicabilidad Conocer los parámetros a considerar a la hora de seleccionar un determinado sistema de tratamiento biológico Comprender los fundamentos de la eliminación biológica de nutrientes y conocer las principales características de los sistemas empleados

14.1. METABOLISMO ANAEROBIO Y PARÁMETROS DEL PROCESO Los tratamientos biológicos son aquellos en los que la degradación de los contaminantes se efectúa por la acción de microorganismos El tratamiento biológico consiste en promover y mantener una población microbiana que metaboliza un determinado residuo PARÁMETROS TÉCNICOS Presencia/ausencia de O2 (tratamiento aerobio/anaerobio) Temperatura (aumenta la actividad) pH (normalmente entre 6 y 8) Nutrientes Macronutrientes: C, N y P Micronutrientes: S, K, Ca, Fe, Mg Diseño del reactor (homogeneización, CSTR/PFR, TRH)

PROCESOS BIOLÓGICOS ANAEROBIOS Los procesos biológicos anaerobios emplean bacteria facultativas o estrictamente anaerobias para descomponer la materia orgánica biodegradable en ausencia de oxígeno Es preciso que no existan como aceptores de electrones ni el oxígeno molecular ni los nitratos Los productos finales son principalmente metano y dióxido de carbono (también pequeñas cantidades de sulfuro de hidrógeno y amoniaco entre otros) Se genera poca biomasa con lo que la producción de lodos es pequeña Se precisa operar a temperaturas por encima de la ambiente En general es adecuado para mayores cargas orgánicas que el tratamiento aerobio

APLICACIONES VENTAJAS DESVENTAJAS ARU: Estabilización de lodos biológicos ARI: Residuos industriales con gran contenido en materia orgánica biodegradable (industria alimentaria, papel) y algunos residuos peligrosos (cresoles, fenoles, organoclorados) VENTAJAS  Permite tratar aguas con alta carga orgánica  Se generan pocos lodos  Se produce ch4 aprovechable (0,35 nm3/kg DQO eliminada)  Se ahorra la energía de aireación DESVENTAJAS  Requiere TRC altos (gran V de reactor)  Suele requerir calefacción adicional  Muy sensible a los cambios  Reacciones poco conocidas

ETAPAS DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA DE MATERIA ORGÁNICA La digestión anaerobia de materia orgánica incluye el trabajo conjunto de distintas especies de microorganismos y se puede considerar dividido en tres etapas: HIDRÓLISIS: En esta etapa tiene lugar la rotura de moléculas grandes y complejas en moléculas más pequeñas que puedan ser metabolizadas por los microorganismos. Los enzimas extracelulares son los responsables de esta etapa ACIDOGÉNESIS: Los productos de la hidrólisis son transformados en ácidos orgánicos, H2 y CO2. Las bacterias responsables son bacterias acidogénicas (facultativas y anaerobias) y pueden ser las mismas responsables de la primera etapa. Operan para valores de pH entre 5 y 7 METANOGÉNESIS: A partir de los productos de la etapa anterior se forma metano. Las bacterias responsables son las metanogénicas. Son bacterias anaerobias estrictas cuya actividad se inhibe para fuera del intervalo de pH 6-8. Este proceso es más lento que las etapas anteriores, siendo ésta la etapa limitante

Fig. 14.1. Etapas en la producción de metano a partir de residuos orgánicos (Kiely, 1999)

PARÁMETROS AMBIENTALES pH Muy importante su control porque debe de permitir el desarrollo de las bacterias acidogénicas (pH 5-7) y metanogénicas (pH 6-8) TEMPERATURA En digestión anaerobia se emplean normalmente temperaturas mesófilas (30-40ºC) (más frecuentemente) o termófilas (50-60ºC) Necesidad de calefacción ACIDEZ VOLÁTIL Un aumento de la concentración de ácidos orgánicos es indicativo de que el proceso va mal porque no se está dando la metanogénesis adecuadamente Reaccionan con los ácidos orgánicos y se desprende CO2 que aumenta su proporción en el biogas

ALCALINIDAD Es necesaria la presencia de una cantidad suficiente de carbonatos y bicarbonatos (>1000 ppm) que por su poder tamponador aseguran el mantenimiento del pH dentro del intervalo adecuado (si no, podría bajar el pH de 6 e inhibirse las bacterias metanogénicas) AGENTES TÓXICOS E INHIBIDORES

PARÁMETROS DE DISEÑO Y OPERACIÓN INÓCULO INICIAL Y FASE DE ARRANQUE Las bacterias anaerobias crecen muy lentamente con lo que hacen falta altas concentraciones iniciales y largos periodos de adaptación (pueden llegar a durar meses) NUTRIENTES Los requerimientos de N y P son inferiores que en el tratamiento aerobio; DBO5:N:P = 100:0,5:0,1) TIEMPO HIDRÁULICO DE RESIDENCIA (THR) Son superiores a los necesarios en los tratamientos aerobios (mayores tamaños de reactor) PRODUCCIÓN Y COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS Se produce teóricamente 0,35 Nm3 CH4/ kg DQO eliminada El biogas está constituido mayoritariamente por CO2 (30-40%) y CH4 (60-70% ) y pequeñas cantidades de SH2 y NH3

14.2. TRATAMIENTO CON BIOMASA EN SUSPENSIÓN 14.2.1. DIGESTIÓN ANAEROBIA CONVENCIONAL Reactor cerrado bien mezclado sin recirculación de sólidos TRH > 10 días T ~ 35ºC Agitación mecánica o por recirculación del biogas Puede ir seguido de una segunda etapa sin calefacción ni agitación para separar los sólidos APLICACIONES Fangos o residuos con alta concentración en sólidos Fig. 14.2. Digestores anaeróbicos en Tel-Aviv, Israel (publicado en Wikipedia con licencia CC BY-SA 2.5)

Fig. 14.3. Configuraciones de reactores típicos empleados en el tratamiento anaerobio del agua residual (Metcalf y Eddy, 2001)

14.2.2. PROCESO ANAEROBIO DE CONTACTO Es una modificación del tratamiento convencional que incorpora la recirculación de sólidos Tras la digestión la mezcla se separa por sedimentación o flotación y el fango anaerobio se recircula TRH = 1-7 días  menor volumen de reactor Adecuado para residuos con concentraciones de sólidos no muy elevadas (p.ej. agua residuales de industria alimentaria) Fig. 14.4. Diseño de reactores de primera generación (Kiely, 1999)

Fig. 14.5. Diseño de reactores de segunda generación (Kiely, 1999)

14.2.3. UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) ANAEROBIO DE MANTO DE LODOS CON FLUJO ASCENDENTE  Adecuado para aguas con DQO entre 500 y 20000 mg/L (eficacia de eliminación 78-85%)  El residuo se introduce por el fondo (velocidad=0,6–0,9 m/h) donde se encuentran los sólidos en forma de gránulos o flóculos que lo degradan anaeróbicamente  Los reactores UASB (anaerobio de manto de lodos con flujo ascendente) son muy utilizados en el tratamiento anaerobio de efluentes industriales con alta carga orgánica  El gas formado sube proporcionando mezcla al sistema  Existen separadores que evitan la salida de los sólidos (reciclo interno)  Pueden operar a temperatura más baja  TRH = 4–24 h

Fig. 14.6. Planta de tratamiento UASB de Tel Aviv (publicada en Wikipedia con licencia CC BY-SA 2.5)

14.3. TRATAMIENTO CON BIOMASA FIJA 14.3.1. LECHOS FIJOS (FILTRO ANAEROBIO)  Análogos a los sistemas de lecho fijo aerobio, consisten en un lecho con relleno, que puede ser de distintos materiales y geometrías, sobre el que se fijan las bacterias anaerobias  Dado que las bacterias no son arrastradas por el efluente, se pueden conseguir altos tiempos de retención celular con bajos tiempos de retención hidráulica  Se puede trabajar con temperaturas más bajas y residuos más diluidos  Pueden ser de flujo ascendente o descendente 14.3.2. LECHOS FLUIDIZADOS  Análogo a los vistos en tratamiento aerobio (reciente aplicación a tratamiento anaerobio)  Los microorganismos están inmovilizados sobre partículas que son mantenidas en suspensión gracias al flujo de agua que se introducen por abajo  Relleno: carbón activo granular  TRH = 9 h- 1 día

14.3.3. DIGESTIÓN ANAEROBIA EN DOS FASES  Reactores separados para la acidogénesis y para la metanogénesis, lo que permite optimizar las condiciones para el desarrollo de cada grupo de microorganismos:  Bacterias acidogénicas: pH óptimo = 5,6  Bacterias metanogénicas: pH óptimo = 7,0, mayores tiempos celulares  Se puede mejorar la eficacia del proceso, pero se requieren dos reactores por lo que no hay muchas instalaciones EJEMPLO PARA TRATAMIENTO DE FANGOS:  1ª Acidogénesis: 55ºC; pH ácido; 2 días  2ª Metanogénesis: 35ºC; pH básico; 10 días  Los patógenos se detruyen por debajo de límites detectables

14.4. COMPARACIÓN DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO BIOLÓGICO Teniendo en cuenta el contenido en materia orgánica del agua residual, en general:  Los tratamientos anaerobios resultan más adecuados para residuos con mayor carga orgánica que los aerobios  Los tratamientos con biomasa suspendida resultan más adecuados para cargas orgánicas más altas que los de biomasa fija Existen, sin embargo, muchas ocasiones en las que varios tipos de tratamiento biológico resultan técnicamente posibles, entonces hay que tener en cuanta aspectos económicos:  Gasto de energía: calefacción, oxigenación, recirculación, biogas  Gasto de aditivos: nutrientes, alcalinidad  Nº y tamaño del reactor  Calidad del efluente

14.5. ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES La existencia de cantidades apreciables de fósforo y/o nitrógeno es habitual en aguas residuales urbanas y frecuente en algunas aguas residuales industriales, principalmente en los efluentes del sector agroalimentario (industria láctea, mataderos) Principal fuente en ARU: materias fecales y restos de alimentos Principal fuente en AR del sector agroalimentario: restos de materia prima y el uso de ácido fosfórico y nítrico en el procesado y operaciones de limpieza Estos nutrientes son los principales responsables de la eutrofización de las masas de agua naturales. Por ello se establecen límites de vertido  La eliminación de nutrientes se puede hacer por métodos biológicos o físico-químicos

14.5.1. ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO El nitrógeno inorgánico (NH4+, NO2-, NO3-) se puede eliminar por un proceso de nitrificación-desnitrificación (eficacia del 70-80%): • NITRIFICACIÓN AEROBIA (BACTERIAS AUTÓTROFAS): • DESNITRIFICACIÓN ANÓXICA (BACTERIAS HETERÓTOFAS):

Fig. 14.7. Eliminación de nitrógeno en dos etapas (Kiely, 1999)

NITRIFICACIÓN BACTERIAS AUTÓTROFAS AEROBIAS NITROSOMONAS NITROBACTER FORMAN NUEVAS CÉLULAS Esta etapa requiere altos tiempos de residencia celular y poca materia orgánica para evitar el crecimiento de bacterias heterótrofas Teóricamente se necesitan 4,3 mg O2/mg NH4 eliminado

 Suministrar oxígeno adicional  Se pueden emplear reactores tanto con biomasa en suspensión como fija (lo más frecuente lodos activos)  Si en el agua a tratar hay materia orgánica la nitrificación puede realizarse a la vez que la eliminación de DBO; los microorganismos coexisten, pero la proporción de microorganismos nitrificantes disminuye a medida que aumenta la relación DBO/NTK  Para conseguir la nitrificación en un proceso de fangos activados típico es necesario introducir algunas modificaciones:  Suministrar oxígeno adicional  Aumentar el tiempo de retención celular (las bacterias nitrificantes tienen una velocidad de crecimiento inferior que las bacterias heterótrofas)  En aguas de baja alcalinidad suministrar cal o sosa debido a que la nitrificación provoca una caída del pH 24

DESNITRIFICACIÓN PROCESO ANÓXICO: bacterias heterótrofas utilizan nitratos como aceptor e-  Esta etapa requiere un ambiente bajo en oxígeno (por encima de 1 mg/L no se da la desnitrificación) y rico en materia orgánica  Los reactores empleados en esta etapa suelen ser con cultivos suspendidos en reactores CSTR o PFR  El aporte de materia orgánica puede ser el que contenga el propio agua residual o requerirse un aporte externo (metanol)

PARA UN PROCESO DE NITRIFICACIÓN-DESNITRIFICACIÓN EXISTEN DOS CONFIGURACIONES BÁSICAS: NITRIFICACIÓN + DESNITRIFICACIÓN (CON ADICIÓN DE FUENTE DE C) Problema: Si el agua presenta un alto contenido en materia orgánica, en el primer reactor de nitrificación se desarrollarán microorganismos heterótrofos que inactivan las bacterias nitrificantes, mientras que en el segundo reactor se necesitará aporte de materia orgánica DESNITRIFICACIÓN + NITRIFICACIÓN (MODIFICADO DE LUDZACK-ETTINGER MLE) En este segundo reactor se producirán nitratos con lo que parte del efluente debe de ser recirculado al primer reactor con el fin de que los nitratos sean transformados en nitrógeno gas (recirculación interna 2-4 Q) OTRA FORMA: CANALES DE OXIDACIÓN

Fig. 14.8. Esquema de un canal de oxidación de nitrificación-desnitrificación (Kiely, 1999)

14.5.2. ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE FÓSFORO  En una planta de lodos activos típica el crecimiento microbiano es responsable de una reducción entre el 10 y el 30% del fósforo  Las bacterias típicas de fangos activos están constituidas en un 1-2% por P que se elimina con la purga  Se han desarrollado métodos que permiten por vía biológica eliminaciones de fósforo muy superiores a las habituales (bio-P-microorganismos que almacenar hasta 7% de P) Los métodos están basados en alternar ambientes aerobios y anaerobios lo que favorece el enriquecimiento del fango en bio-P-microorganismos (Acinetobacter): REACTOR ANAEROBIO: Los microorganismos liberan fósforo al medio REACTOR AEROBIO: Los microorganismos consumen fósforo (no sólo el liberado sino también el aportado por el efluente) SEDIMENTACIÓN Y SEPARACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS Y del fósforo

TRHaerobia = 3-8 h (lo habitual en fangos activos) TRHanaerobia = 0,5-2 h TRHaerobia = 3-8 h (lo habitual en fangos activos) Estos sistemas se pueden modificar para eliminar también N, incorporando una etapa anóxica intermedia (TRHanoxica = 0,2-2 h) y recirculando el efluente de la salida de la etapa aerobia a la anóxica Fig. 14.9. Eliminación biológica de fósforo en dos etapas (Kiely, 1999)