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Eliminación del nitrógeno en purines:
¿Qué proceso es el más adecuado?
Revalorización de subproductos del sector agropecuario: oportunidades y desafios
José Luis Campos GómezDepartamento de Ingeniería Química
15 de julio de 2010 Concepción
Índice
1 Contaminación de las aguas por compuestos nitroge nados
2 Procesos biológicos para la eliminación de nitróg eno
2.1 Nitrificación-desnitrificación
Eliminación del nitrógeno en purines: ¿Qué proceso es el más adecuado?
2.2 Nitrificación parcial
2.3 Proceso Anammox
3 Implantación del proceso Anammox a escala industr ial
4 Aplicaciones del proceso Anammox al tratamiento d e purines
5 Conclusiones
1 Contaminación de las aguas por compuestos nitrogenados
Contaminación de las aguas
Ciclo del nitrógeno
Origen de los contaminantes en el ambiente
Contaminación de las aguas
Amonio:� Eutrofización: Crecimiento excesivo de algas
� Toxicidad: Especies de la fauna acuática
� Pérdida de oxígeno en las aguas: oxidación a nitrat o
Contaminación de las aguas
Efectos de los contaminantes en el ambiente
Nitrito y nitrato:
� Metahemoglobinemia: ingestión de nitritos
� Formación de nitrosaminas y nitrosamidas: canceríge nos
� Alteraciones de los vasos sanguíneos
� Desnitrificación incompleta: formación de N 2O
Contaminación de las aguas
Parámetro clave: Concentración de amonio
a) Concentraciones de amonio de hasta 100 mg N/L:
Procesos biológicos
Selección de la tecnología para la eliminación de n itrógeno
b) Concentraciones de amonio en el rango de 100-5000 mg N/L:
Tratamiento por procesos biológicos es más económic o
c) Concentraciones de amonio mayores a 5000 mg N/L :
Métodos físico-químicos son técnica y económicament e factibles
Arrastre con aire
Precipitación
Intercambio iónico
2 Procesos biológicos para la eliminación de nitrógeno
Procesos biológicos
N orgProteína
Materiafecal
OrinaUrea
N
AmmoniumNH+
4NH4+
Ciclo del nitrógeno
ProteínaAnimal
Urea
Atmospheric
N2
Nitrogen
N orgProteínavegetal
N2
NO3-
NO2-
Procesos biológicos
CentrífugaCompostaje
Fracción sólida
Fracción líquida
Purín
ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO: Depende de cómo se elimine la materia orgánica
1.- Tratamiento aerobio: Nitrificación-desnitrificación
2.- Tratamiento anaerobio: Nitrificación parcial/ Anammox y desnitrificación
Tanque dehomogeneización
Tratamiento biológico
Fracción líquida
Nitrificación-desnitrificación
2.1 Nitrificación-desnitrificación
NO-2
NH+4
N2
O2
m.o.
NH4+ + 1.5 O2 NO2
- + H2O + 2H+
NO2- + 0.5 O2 NO3
-
Nitrificación
8 NO3- + 5 CH3COOH
8HCO3- + 6 H2O + 2 CO2 + 4 N2
Desnitrificación
NO-3
O2
m.o.
Sistemas continuos
Agua residual:DQONH4
+NitrificaciónDesnitrificación
O2
EfluenteNH4
+
N2
DQO
NO3-
Sistemas discontinuos
Nitrificación-desnitrificación
Vo
Agua residualDQO NH4
+
Vmax Vo
Efluente
Llenado Reacciónanóxica
Reacciónaerobia
Sedimentación Vaciado
Lodo LodoLodo
Sistemas discontinuos
Proceso/Industria N-NH 4+
(g/l)
Digestión de lodos 1
Fertilizantes 0,2-1
NH+4
O2
Aguas industriales con DQO/N < 5
Nitrificación parcial
2.2 Nitrificación parcial
Fertilizantes 0,2-1
Conserveras* 0,8
Purines de cerdo* 2,3
Purines de oveja* 0,5-2,3
Explosivos 1,5
Lixiviados 1-2
*después de tratamiento anaerobio
NO-2
NO-3
N2
O2
m.o.
m.o.
Nitrificación-AerobiaDenitrificación-Anóxica
1 mol Nitrito(NO2
-)1 mol Nitrito
(NO2-)
1 mol Nitrato(NO3
-)
NitrificantesHeterótrofas
40% Materia orgánica
60% Materia orgánica
25% O2
Nitrificación parcial
4,6 g O2/g NH4+-N oxididado
7,5 g DQO/g NO3--N reducido
Ventajas;25% Reducción de la demanda de O 240% Reducción de la materia orgánica requerida40% Reducción de la biomasa producida
Nitrificación-desnitrificaciónNitrificación parcial-desnitrificación
½ mol Nitrógeno Gas(N2)
1 mol Amonio(NH4
+)
75% O2
NH4+
(100)Nitrificación
parcial
NO2-
(100)Desnitrificación
N2
(100)
Nitrificación parcial NH4+ →→→→ NO2
- →→→→ NO3-
N2 ←←←← NO2- ←←←← NO3
-
O2 O2
mo mo
NH4+ →→→→ NO2
- →→→→ NO3-1 2
Nitrificación parcial
2
2max
2
( )· ·O S
O Sr r T
k O k S=
+ +
Ecuación cinética de bacterias nitrificantes
NH4 →→→→ NO2 →→→→ NO3
0.8
1
Vel
ocid
ad c
rec.
(d
-1) oxidantes
de amonio
NH4+ →→→→ NO2
- →→→→ NO3-
r1 r2
O2 O2
Limitación de oxígeno:
Nitrificación parcial
0
0.2
0.4
0.6
0 1 2 3 4
O2 [mg/l]
Vel
ocid
ad c
rec.
(d
oxidantes de nitrito
1.5
2
2.5
3
Vel
ocid
ad c
rec.
(d
-1)
oxidantes de amonio
NH4+ →→→→ NO2
- →→→→ NO3-
r1 r2
Temperatura
Nitrificación parcial
0
0.5
1
1.5
10 15 20 25 30 35 40
T [ºC]
Vel
ocid
ad c
rec.
(d
oxidantes de nitrito
SHARON (Single High Ammonia Removal Over Nitrite)
Proceso Anammox
NO-2
NH+4
N2
O2
o.m.
2.3 Proceso Anammox Anammox (ANaerobic AMMonia OXidation)
NH4+ + 1,32 NO2
- + 0,07 HCO3- + 0,13 H+ →→→→
1,02 N2 + 0,26 NO3- + 0,07 CH2O0,5N0,15 + 2,03 H2O
NO-3
O2
o.m.
o.m.
NH4+ + 3/2 O2 →→→→ NO2
- + H2O + 2H+
Nitrificación parcial
NH4+
(100)Nitrificación
parcial
NO2-/NH4
+
(50/50)Anammox
N2/NO3-
(90/10)
- tduplicación ≥ 11 días
Requiere sistemas con alta retención de biomasa !!!
Proceso Anammox
Sist. granulares Sist. biopelículas Sist. membranas
- Inhibidores
oxígeno
materia orgánica
antibióticos
AAE (g N /(g SSV·d))0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0 10 20 30 40 50
Act
ivid
ad e
spec
ífica
(g N
/(g
SS
V·d
))
EA = 70 kJ/mol
- Temperatura:
Proceso Anammox
0 10 20 30 40 50
Temperatura (ºC)
-60
-40
-20
0
20
6 7 8 9
pH
mic
orm
ol/g
prot
eína
/min
NO3- NH4+ NO2-
- pH:
NH4+
(100)Nitrificación
parcial
NO2-/NH4
+
(50/50)Anammox
N2/NO3-
(90/10)
Nitrificación parcial/Anammox
1 mol NH 4+
CO2
1,9 mol O
1 mol NH 4+
CO2
Nitrificación/desnitrificación Nitrificación parcial/anammox
Proceso Anammox
1 mol NO 3-
0,5 mol N 2 + 20 g DQObiomasa
17 g DQObiomasa
57 g DQO
3,4 g DQObiomasa
1,9 mol O 2(100%)
0,55 mol NO 2- 0,45 mol NH 4
+
0,4 mol O 2(40%)
1,6 g DQObiomasa
1,5 g DQObiomasa
CO2
0,45 mol N 2 + 0,1 mol NO 3-+ 3 g DQObiomasa
3 Implantación del proceso Anammoxa escala industrial
Implantación industrial
InfluenteEfluente
Digestorde lodos
Espesador de lodos
Anóxico Aerobio
Reactor de lodos activos
DecantadorsecundarioRetorno de lodos
de lodos
Lododeshidratado
Corriente de agua
Corriente de lodo
Sistema dedeshidratación
15-20% de la carga de nitrógeno1% del flujo
300 a 1.700 mg N/L
HCO3-/NH4
+: 1
temperatura 30 °C
InfluenteEfluente
Espesador de lodos
Anóxico Aerobio
Reactor de lodos activos
DecantadorsecundarioRetorno de lodos
ReactorSHARON
Implantación industrial
Sistema dedeshidratación
Digestorde lodos
Lododeshidratado
Corriente de agua
Corriente de lodo
SHARON
ReactorAnammox
Planta de tratamiento de aguas urbanasde Rotterdam (Paises Bajos)
Nitrificación parcial (SHARON)
Implantación industrial
Reactor Anammox
Estimación de costes de tratamiento
Implantación industrial
Lodoquímico
Lodobiológico
Requerimiento energético
Coste(Euro (kg N) -1)
Procesos físico-químicos
Arrastre con aire Si No Normal 6.0Arrastre con aire Si No Normal 6.0
Arrastre con vapor Si No Alto 8.0
Precipitación Si No Bajo 6.0
Procesos biológicos
Nitrificación/desnitrificación No Bajo Normal 4.5
Nitrif. parcial/desnitrificación No Bajo Normal 1.5
Nitrif. parcial/Anammox No Bajo Normal 1.0
Plantas Anammox a escala industrial
Proyecto AplicaciónCapacidad de diseño (kg N/d)
Capacidad alcanzada (kg N/d)
Período de puesta en
marcha
Waterboard Hollandse Delta, Países Bajos(2 unidades)
Municipal (agua de rechazo)
490 750 3,5 años
Implantación industrial
(2 unidades)(agua de rechazo)
IWL, Países Bajos(2 unidades)
Curtido 325 150 1 1 año
Waterstromen, Países Bajos(1 unidad)
Procesado de patatas
1200 7001 6 meses
Mie prefecture, Japón(2 unidades)
Semiconductores 220 220 2 meses
1 No se pudo alcanzar la capacidad de diseño por no haber más nit rógeno disponible.
4 Aplicación del proceso Anammox al tratamiento de purines
Aplicación a purines
17,0 kg DQO0,3 kg N
13,0 kg DQO0,2 kg N
6,5 kg DQO2,5 kg N
Gas Gas
0,5 kg DQO0,9 kg N
Proyecto PIGMAN (Karakashev et al. , 2008)
70,0 kg DQO5,6 kg N
Purín
Digestiónanaerobia
Separación
53,0 kg DQO5,3 kg N
30,0 kg DQO1,0 kg N
Fibras
23,0 kg DQO4,3 kg N
Digestión
10,0 kg DQO4,1 kg N
3,5 kg DQO1,6 kg N
3,0 kg DQO0,7 kg N
Nitrificaciónparcial
Aire
Anammox
Carga eliminada: 0,1 g N/(L·d)Temperatura: 35 ºC
Eficacia:- Materia orgánica: 96%- N: 81%
EfluenteBiogás
Decantador Decantador
Reactor anammox
Post-tratamiento de digestores anaerobios (Hwang et al. , 2005)
Aplicación a purines
Influente
Reactor UASB
Sistema nitrificación parcial
Lodo Lodo
N-NH4+: 890-1070 mg/L
DQOs: 1030-2900 mg/LN-NH4
+: 194-300 mg/LN-NO2
-: 353-469 mg/LN-NH4
+: 78-106 mg/LN-NO2
-: 40-114 mg/L
Carga eliminada: 0,36 g N/(L·d) Temperatura: 35 ºC
Efluente
Influente
Sistema aerobio
Decantador
SistemaNitrif. parcial-Anammox
Tratamiento de la fracción líquida (Figueroa et al. , 2010)
Aplicación a purines
Lodo
N-NH4+: 313 ±±±± 30 mg/L
DQOs: 1754 ±±±± 280 mg/L
N-NH4+: 10-180 mg/L
N-NO2- <<<< 10 mg/L
DQOs: 80- 280 mg/L
N-NH4+: 140-350 mg/L
DQOs: 80-550 mg/L
Aire Aire
Carga eliminada: 0,40 g N/(L·d) Temperatura: 20 ºC
Carga eliminada: 7,5 g DQO/(L·d) Temperatura: 20 ºC
Aplicación a purines
5 Conclusiones
Conclusiones
El uso del proceso Anammox para eliminación de nitrógeno en purines permitiría unimportante ahorro de costes de operación dado la materia orgánica se podría eliminartotalmente mediante digestión anaerobia generando biogás mientras que para eliminar
Los procesos biológicos son el método más económico para la eliminación delnitrógeno presente en los purines.
totalmente mediante digestión anaerobia generando biogás mientras que para eliminar
el nitrógeno sería necesario oxidar solo el 50% del amonio a nitrito .
La aplicación del proceso Anammox ha estado limitada por la dificultad de disponer dela cantidad de biomasa suficiente para poner en marcha los re actores Anammox. Dadoque actualmente hay varias plantas operando a escala industrial, la disponibilidad deinóculo es mayor lo que facilitará la expansión de esta tecnología.
Eliminación del nitrógeno en purines:
¿Qué proceso es el más adecuado?
Revalorización de subproductos del sector agropecuario: oportunidades y desafios
José Luis Campos GómezDepartamento de Ingeniería Química
15 de julio de 2010 Concepción