Factores de diseño y operación en los canales de oxidación para la eliminación biológica de nitrógeno.

Este post trata de reunir las condiciones básicas de diseño y operación básicas de los canales de oxidación destinados a la eliminación de materia orgánica y nitrógeno total conjuntos del agua residual.

Consideraciones generales.

Los canales de oxidación empleados para la eliminación de nitrógeno tienen una longitud de 2 a 4 veces mayor que en el caso de los canales de oxidación que solamente acometen la nitrificación, lo cual permite un volumen suficiente para la existencia de una zona anóxica en el canal.

Canales de oxidación con eliminación biológica de nitrógeno

Aunque la velocidad de nitrificación se reduce ampliamente con bajos niveles de oxígeno disuelto, el empleo de altos tiempos de retención de sólidos y retención hidráulica permiten conseguir una nitrificación completa.
Mediante un adecuado diseño y operación es posible crear zonas aerobias y anóxicas para llevar a cabo la nitrificación y la desnitrificación.

En las zonas anóxicas, a menudo son necesarios agitadores para mantener la biomasa del licor mezcla en suspensión.

Es necesario un control del oxígeno disuelto en la zona anóxica del canal de oxidación. A medida que el licor mezcla fluye aguas abajo de la zona aerobia el nivel de oxígeno disuelto disminuye hasta alcanzar condiciones anóxicas. El tamaño de la zona anóxica afecta al grado de reducción de nitratos, así como a la eficiencia global de eliminación de nitrógeno. Con un control del oxígeno disuelto, de modo que se pueda variar el nivel de oxígeno disuelto en la zona aerobia, se pueden mantener las condiciones necesarias para que tenga lugar el proceso de nitrificación-desnitrificación. Por esto, el rango de operación empleado del sistema de aireación debe ser flexible e integrarse con una buena implementación del sistema de control.

Si es posible, el influente debe introducirse en la cabeza de la zona anóxica, de modo que la fuente de carbono del agua residual bruta sea utilizada como donador de electrones para llevar a cabo la reacción de desnitrificación. Si el agua residual bruta se introduce en el comienzo de la zona aerobia, cuando llega a la zona anóxica la mayor parte de la materia orgánica se habrá oxidado y la desnitrificación se desarrollará en la fase de respiración endógena, con lo que la velocidad de desnitrificación será mucho menor.

El efluente del canal de oxidación se tomará de un punto del canal situado justamente aguas arriba de la zona anóxica y será enviado al decantador secundario para la sedimentación de la biomasa.

El perfil de oxígeno, en un único canal de oxidación continuo, puede variar considerablemente dependiendo de la localización de los aireadores, la longitud del canal, los puntos de introducción del agua residual  bruta y los fangos recirculados, y de la inmersión, el tamaño y la velocidad de los aireadores.

El perfil vertical de oxígeno dentro de un canal de oxidación también puede variar considerablemente, especialmente en canales profundos.

Teóricamente, es posible controlar el nivel de oxígeno en cualquier punto del canal por variación de la tasa de transferencia de oxígeno de los equipos de aireación (velocidad, inmersión o número de aireadores en la operación), llevando el nivel de oxígeno al punto de referencia (set point). En la práctica, esto no es fácil de lograr, ya sea manual o automáticamente. El equipo de monitorización necesario requiere de un mantenimiento continuo y la velocidad a la cual se mueve el medio líquido en el canal puede ser insuficiente a baja inmersión o velocidad del aireador.

Dado que es posible crear y mantener en el canal zonas ricas y pobres en oxígeno (zonas aerobias y anóxicas), es entonces posible crear las condiciones para la nitrificación y la desnitrificación biológicas dentro del mismo canal. La nitrificación ocurre en las zonas aerobias y la desnitrificación en las zonas anóxicas. La velocidad de flujo en el canal debe ser aproximadamente de 0,30 m/s. Así, el licor mezcla y el contenido biológico están sujetos a una rápida alternancia entre las condiciones aerobias y anóxicas. La concentración del nitrato en el canal permanece baja porque, debido a la alternancia de los ciclos aerobio-anóxicos, los nitratos producidos durante la nitrificación en la zona aerobia se desnitrifican rápidamente.

En la zona anóxica se requiere un donante de hidrógeno, que puede ser proporcionado por la distribución de las aguas residuales crudas en el canal cerca del comienzo de la zona anóxica. El fango de recirculación también debería introducirse en este punto.


Parámetros de diseño para la eliminación de nitrógeno.   

• Dimensiones físicas y características del canal.

La anchura, profundidad y longitud del canal son función del tipo de aireadores que se utilizarán, de su longitud y tiempo de retención total. Una longitud de canal adecuada es de 182,9 m (para reactores de un único canal), para aumentar el tiempo durante el cual se mantienen las condiciones anóxicas.

Con esta longitud de canal, el tiempo total para una revolución del licor mezcla a lo largo del mismo sería de 10 min, y aproximadamente, un tiempo de 5 min correspondería a la zona anóxica, basándose en una velocidad de flujo en el canal de 0,30 m/s.

Para un reactor de un único canal las aguas residuales crudas y el fango recirculado se deben introducir en las proximidades de la transición entre las zonas aerobias y anóxicas para actuar como una fuente de carbono. La mejor localización para la retirada del licor mezcla es discutible. Podría ser al final de la zona anóxica, justo antes del aireador. La desventaja de esta disposición es que la desnitrificación ocurrirá en el decantador secundario, causando el levantamiento del fango y el arrastre de los sólidos en el efluente.  

• Equipo de aireación.

Deben verificarse las características de transferencia de oxígeno y los requisitos de la potencia de funcionamiento de los dispositivos de aireación competidores para seleccionar el equipo de aireación más satisfactorio.

Es importante evitar el sobredimensionamiento del aireador, y se deberán proporcionar los medios necesarios para permitir el ajuste de la tasa de transferencia de oxígeno en un rango bastante amplio. Esto puede lograrse mediante el ajuste de la velocidad, la inmersión, el número de aireadores en funcionamiento, y tal vez mediante un ciclo de encendido-apagado de funcionamiento.

El espaciamiento de los aireadores en reactores de único canal debe proporcionar zonas aerobias y anóxicas claramente definidas. No pueden proporcionarse criterios específicos para definir este espaciamiento. El espaciamiento aproximado puede ser calculado sobre la base de la tasa esperada de consumo de oxígeno de las aguas residuales específicas y, a continuación, la capacidad real de cada aireador se puede ajustar a las condiciones de campo.

El uso de aireadores flotantes puede ser beneficioso, porque se pueden mover en el campo según sea necesario.

• Dispositivos auxiliares de velocidad.

En aplicaciones de eliminación de nitrógeno, los requerimientos de aireación pueden ser inferiores a los requerimientos de mezcla o de velocidad. En este caso, la velocidad en el canal sería insuficiente y se produciría la sedimentación de los sólidos. Los dispositivos auxiliares de velocidad se diseñan para proporcionar velocidad al licor mezcla sin la adición de oxígeno, de aquí la razón de la completa inmersión de los propulsores.

Las plantas que usan los aireadores superficiales de eje horizontal pueden experimentar problemas con la sedimentabilidad del lodo cuando la inmersión del aireador se reduce para producir niveles más bajos de oxígeno disuelto en el canal. En este caso, pueden requerirse dispositivos auxiliares del flujo. 

• Fangos de recirculación y purga.

Las plantas de canales de oxidación diseñadas para la eliminación de nitrógeno deberían estar diseñadas para funcionar dentro de un rango de sólidos en suspensión en el licor mezcla de al menos 3.000 a 6.000 mg /l.

La purga de fangos debe realizarse desde el decantador secundario, retornando una cantidad conocida y controlada de fango al canal. Se debe proporcionar una capacidad de recirculación de fangos de al menos el 150 % del caudal medio.

Es necesaria una purga adecuada de fango, incluyendo dispositivos para la medición del volumen de fangos purgado. Se recomienda que la purga de fangos se realice de modo continuo del decantador secundario y a un ritmo adecuado para mantener un nivel de oxígeno positivo en el fango de recirculación. De lo contrario, podría tener lugar en el decantador la desnitrificación, la cual podría llevar a un arrastre de sólidos al efluente. 

• Regulación del flujo.

Uno de los mayores problemas  en la eliminación de nitrógeno es el de proporcionar una aireación controlada, requerida para crear las zonas aerobias y anóxicas apropiadas en el canal. Esto se debe lograr de la manera más simple posible, de acuerdo con el diseño de las instalaciones. Las variaciones diurnas de caudal o carga contaminante, tienden a trastornar la estabilidad de las zonas aerobias y anóxicas. La estabilización de las condiciones en el influente a la planta, con procesos tales como igualación del flujo, facilitan los problemas del control.

Por otra parte, un perfecto control del oxígeno, con la adecuada instrumentación, podría solucionar satisfactoriamente una amplia gama de variaciones de la carga. 

• Tiempo de retención hidráulica.

Si se requiere un alto grado de eliminación de nitrógeno durante todo el año en un clima relativamente frío, la instalación del canal de oxidación se debería construir para un tiempo de retención hidráulico de 24 h a caudal medio. En climas más calientes donde se espera que la temperatura del licor mezcla permanezca por encima de 15 °C se puede tomar como adecuado un tiempo de retención hidráulico de 13 h.

• Dimensionamiento y diseño del decantador secundario.

Los decantadores secundarios para aplicaciones de fangos activados deben estar diseñados con medios para la eliminación continua y relativamente uniforme de los fangos. La carga de superficie del decantador debe estar en el rango de 16,30 a 20,37 m³/(m²•d) a caudal medio y de 40,74 a 48,89 m³/(m²•d) a caudal punta.

El diseño del decantador para cargas de sólidos debería ser de 146,5 kg/(m²•d).

La profundidad efectiva del lado pared debe ser de al menos 3,66 m y preferiblemente de 3,66 a 4,27 m.  

• Instrumentación.

Junto con la instrumentación básica de la planta, se necesitan requisitos adicionales en la eliminación del nitrógeno para crear y mantener zonas aerobias y anóxicas en una porción del canal.

Teóricamente, podría sumergirse un medidor de oxígeno disuelto en el punto deseado del comienzo de la zona anóxica y se utilizarían, para controlar el nivel de oxígeno disuelto, variables como la velocidad y/o la inmersión de los aireadores. Esto no es una tarea sencilla debido a la necesidad de mantenimiento casi constante de la sonda, el retraso en el sistema, y el rango de control de aireación necesario. Teniendo en cuenta los cambios en el caudal normal diurno, más las variaciones normales de carga de DBO5, la velocidad y la inmersión del rotor tendrían que ser variados para obtener un amplio rango en la tasa de transferencia de oxígeno. Esto es viable si está disponible un sistema de control automático efectivo de estas variables.

No se sabe hasta qué punto el tamaño de la zona anóxica puede variar y aún así lograr una buena eliminación de nitrógeno.

Parámetros de operación para la eliminación de nitrógeno.  

• Perfil de oxígeno.

La teoría indica que, para se produzca la eliminación de nitrógeno, deberá mantenerse una zona del canal bajo condiciones anóxicas. El régimen óptimo no se ha demostrado, pero se recomienda que, como primer ensayo, se mantenga bajo condiciones anóxicas el 50 % del canal, aproximadamente.

Además, debe añadirse a esta zona una fuente de carbono, ya sean las propias aguas residuales crudas o metanol.

Para las aplicaciones de eliminación de nitrógeno se necesita flexibilidad en el sistema de aireación.

• Concentración de sólidos en suspensión y sólidos en suspensión volátiles.

Valores de concentración de sólidos en suspensión típicos según Drews, et al. son de 3.600 a 5.500 mg/l.

En teoría, para un agua residual con una DBO de 200 mg/l y 24 h de tiempo de retención hidráulica, una concentración de sólidos en suspensión de aproximadamente 3.000 mg/l proporcionaría una nitrificación de al menos el 95 % a una temperatura del licor mezcla de 5 °C.

• Relación Carbono-Nitrógeno.

La relación carbono orgánico disuelto-nitrógeno (COD/N) para la desnitrificación se puede determinar basándose en la investigación conducida usando el metanol como fuente de carbono orgánico. El requerimiento de metanol es la cantidad que permitirá el agotamiento del oxígeno en las formas disueltas del nitrato y del nitrito.

La ecuación que representa los requerimientos de metanol es:

C_m = 2,47 N₀ + 1,53 N₁ + 0,87 D₀ 

Donde:   

C_m = Concentración de metanol requerida (mg/l).
 N₀ = concentración inicial de nitrato (mg/l).
 N₁ = concentración inicial de nitrito (mg/l).
 D₀ = concentración inicial de oxigeno disuelto (mg/l).

El metanol tiene un COD de 1,41 kg/kg metanol. Por lo tanto, para una conversión completa del nitrato, será necesaria una relación carbono orgánico disuelto biodegradable-nitrato de 3,5.

• pH.

El proceso de la desnitrificación aumenta la concentración de la alcalinidad, pero normalmente no compensará totalmente la alcalinidad perdida en la nitrificación.

La velocidad máxima de nitrificación ocurre en un pH de cerca de 8,5, pero se pueden esperar altas tasas dentro de un rango de pH de 7,5 a 9,5 a una temperatura de 20 °C.

Normalmente, incluso en un clima frío, el control del pH no es necesario si se mantiene una concentración de sólidos en suspensión razonablemente alta.

• Sedimentabilidad del fango.

Ciertos datos sugieren que el efluente desnitrificado no sedimenta tan bien como el nitrificado. Además, si la desnitrificación ocurre en el decantador final, se liberará gas nitrógeno y el fango tenderá a flotar y a ser transportado por el efluente vertido. Es deseable tener un nivel positivo del oxígeno en el decantador final y quitar el fango puntualmente de este.

• Relación de recirculación de fangos.

La recirculación del fango debe ser continua y se debe realizar la medida y el control del flujo de la corriente de recirculación. Normalmente, las relaciones de recirculación de fangos se mantienen aproximadamente entre el 30 y 100 % del caudal medio diario. La relación de recirculación de fango debe ser adecuada para mantener un buen funcionamiento del decantador.

• Purga de fango.

La purga de fango debe llevarse a cabo para mantener el contenido deseado de sólidos en suspensión en el sistema biológico. Cuando la planta está operando bajo condiciones relativamente estables, debe llevarse a cabo una purga de fango regular para mantener la estabilidad.

El licor mezcla debe ser comprobado al menos diariamente y los fangos se pueden purgar a diario o cada pocos días, pero es mejor purgar cantidades nominales de los fangos en un horario regular que hacer grandes ajustes periódicos.

• Tiempo de retención de sólidos.

Para aguas residuales brutas típicas (200 mg DBO5/l) y un tiempo de retención hidráulica de 24 h, tendrá lugar una nitrificación completa, operando con un tiempo de retención de sólidos de 16 d y con una concentración de sólidos en suspensión volátiles (SSV) de 1.922 mg/l o con un tiempo de retención de sólidos de 24 d y una concentración de SSV de 2.880 mg/l. Estos valores son extremadamente conservadores, deberían proporcionar una nitrificación excelente incluso en climas muy fríos, y deberían ser relativamente fáciles de lograr.

Las consideraciones son iguales que para la nitrificación, a menos que haya evidencias de que la desnitrificación está limitada a temperaturas frías. Bajo estas condiciones, puede ser necesario un mayor tiempo de retención de sólidos para la desnitrificación (con relación a la nitrificación).

• Temperatura.

La tasa de nitrificación está muy afectada por la temperatura de las aguas residuales. En climas fríos, si se puede hacer algo para conservar el calor del líquido será beneficioso.

Una aireación excesiva tenderá a disipar el calor del líquido y por lo tanto debe evitarse. Como ejemplo, la tasa de nitrificación a 5 °C es aproximadamente el 20 % de la tasa de nitrificación a 20 °C. Sin embargo, mientras la concentración de sólidos en suspensión en el líquido mezcla (SSLM) se mantenga en el rango recomendado, se puede obtener una nitrificación completa, incluso a temperaturas del líquido que se acercan a la congelación.

Las consideraciones son iguales que para la nitrificación, a excepción de emplear tiempos de retención de sólidos mayores durante la operación en tiempo frío, según lo discutido en el párrafo anterior.

• Hidráulica.

Si el flujo hidráulico de la planta se puede estabilizar en cierto grado (por ejemplo, con la igualación del flujo) será más fácil mantener las zonas aerobias y anóxicas necesarias para la eliminación de nitrógeno.