Los vertidos a gran escala de nitrógeno y fósforo pueden provocar la eutrofización de las masas de agua.

Los vertidos a gran escala de nitrógeno y fósforo pueden provocar la eutrofización de las masas de agua. Por lo tanto, China utiliza el nitrógeno amoniacal y el fósforo total como indicadores de evaluación importantes para evaluar el efecto del tratamiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales. En la actualidad, el tratamiento de aguas residuales depende principalmente dedesnitrificación biológica, que convierte el nitrógeno de las aguas residuales en gas nitrógeno inofensivo mediante nitrificación aeróbica y desnitrificación anóxica.

El nitrógeno total se refiere al contenido de nitrógeno en partículas solubles y suspendidas, incluido el nitrógeno inorgánico como NO3-, NO2- y NH4+, y nitrógeno orgánico como aminoácidos, proteínas y aminas orgánicas. La desnitrificación biológica implica primero convertir nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal mediante amonificación en un ambiente anaeróbico. Este proceso se lleva a cabo fácilmente y se puede completar en la mayoría de las instalaciones de tratamiento. Luego, en un ambiente aeróbico, el nitrógeno amoniacal se convierte en nitrógeno nitrato mediante nitrificación. Finalmente, en un ambiente anóxico, el nitrógeno nitrato se convierte en gas amoníaco mediante desnitrificación, que se escapa del agua.

Los principales procesos de desnitrificación incluyenprocesos de lodos activados(A2O, zanja de oxidación, SBR, etc.) y procesos de biopelículas (filtros biológicos, tanques de oxidación de contacto biológico, discos giratorios biológicos, etc.), que tienen buenos efectos de eliminación de nitrógeno en aguas residuales, pero tienen ciertas limitaciones y complejidades en términos de proceso y operación.

El proceso A2O, o proceso anaeróbico-anóxico-aeróbico de lodos activados, implica que las aguas residuales fluyen a través de tres zonas funcionales distintas: anaeróbica, anóxica y aeróbica, donde diferentes comunidades microbianas eliminan materia orgánica, nitrógeno (N) y fósforo (P). El proceso A2O es el proceso más simple de eliminación simultánea de fósforo y nitrógeno, caracterizado por un corto tiempo de retención hidráulica total. En condiciones alternas anaeróbicas, anóxicas y aeróbicas, inhibe el crecimiento de bacterias filamentosas, supera la acumulación de lodos y normalmente logra una viscosidad de lodos (SVI) inferior a 100. Esto facilita la separación de las aguas residuales tratadas de los lodos. Las secciones anaeróbica y anóxica requieren sólo una agitación suave durante la operación, lo que resulta en bajos costos operativos.

Ventajas:Este proceso es la eliminación simultánea de nitrógeno y fósforo más simple, con un tiempo de retención hidráulica total pequeño y un espacio total de piso pequeño; en condiciones de operación alterna anaeróbica-aeróbica, las bacterias filamentosas no pueden proliferar en grandes cantidades y no se produce acumulación de lodos; el lodo tiene una alta concentración de fósforo y un alto efecto fertilizante; no se requieren productos químicos durante la operación, solo se necesita agitar suavemente y el costo operativo es bajo.

Desventajas:La eficiencia de eliminación de fósforo es difícil de mejorar aún más, el crecimiento de lodos tiene un cierto límite y no es fácil de mejorar; La eficiencia de eliminación de nitrógeno también es difícil de mejorar aún más; el volumen de circulación interna no debe ser demasiado alto, de lo contrario aumentará los costos operativos; Se debe mantener una cierta concentración de oxígeno disuelto en el tanque de sedimentación, se debe reducir el tiempo de residencia y la concentración disuelta no debe ser demasiado alta para evitar que el licor mezclado en circulación interfiera con el reactor.

Las zanjas de oxidación, también conocidas como reactores de circulación continua, son una modificación y desarrollo del proceso de lodos activados convencional y una forma especial de aireación prolongada.

Sus principales funciones son suministrar oxígeno; asegurar que el lodo activado esté en estado suspendido, permitiendo una mezcla completa y el contacto entre las aguas residuales, el aire y el lodo; e impulsar el agua para que circule a lo largo del tanque a un determinado caudal (no inferior a 0,25 m/s), lo cual es crucial para mantener la función de depuración de la zanja de oxidación. Las zanjas de oxidación ofrecen ventajas como buena calidad del efluente, fuerte resistencia a cargas de choque, alta eficiencia de eliminación de fósforo y nitrógeno, fácil estabilización de lodos, bajo consumo de energía y facilidad de control automatizado.

Sin embargo, en la operación real, todavía existen una serie de problemas, como acumulación de lodos, formación de espuma, flotación de lodos, caudal desigual y deposición de lodos.

El proceso de lodos activados intermitentes, o proceso SBR para abreviar, tiene un ciclo operativo que se puede dividir en cinco etapas: afluente, reacción, sedimentación, efluente e inactivo. Este proceso integrado se caracteriza por su sencillez. Dado que solo hay un tanque de reacción, no hay necesidad de un tanque de sedimentación secundario, lodos de retorno y equipos relacionados. Generalmente, no se requiere un tanque de ecualización y, en la mayoría de los casos, se puede omitir un tanque de sedimentación primario.

Características:En la mayoría de los casos, no es necesario instalar un tanque de ecualización; el valor del SVI es bajo, es fácil de sedimentar y generalmente no se produce acumulación de lodos; las reacciones de eliminación de fósforo y nitrógeno se llevan a cabo ajustando el modo de operación; el grado de automatización es alto; cuando se realiza correctamente, el efecto del tratamiento es mejor que el tratamiento continuo; la inversión unitaria es relativamente pequeña; la huella es grande, pero el volumen de agua tratada es pequeño.

Problemas:Tanto los procesos de A2O como los de zanjas de oxidación requieren grandes áreas de tanques, lo que genera altos costos de infraestructura; Los procesos de sedimentación y retorno de lodos son complejos y consumen mucha energía, lo que los hace difíciles de llevar a cabo para las pequeñas plantas de tratamiento de aguas residuales ordinarias y no son adecuados para la modernización de las plantas de tratamiento de aguas residuales. El proceso SBR requiere decantadores de alta precisión para garantizar la calidad del efluente, y se necesita un tanque de ecualización posterior para regular el caudal del efluente, lo que impone altas exigencias a la automatización.

Los filtros biológicos requieren una gran superficie y los soportes fijos en los tanques de oxidación de contacto biológico son difíciles de construir y mantener; ambos también son propensos a obstruirse, lo que plantea desafíos importantes para el funcionamiento estable a largo plazo de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Los discos giratorios biológicos, por el contrario, manejan volúmenes más pequeños de aguas residuales y son más adecuados para plantas de tratamiento de aguas residuales con capacidades de tratamiento más pequeñas.

El proceso MBBRestá desarrollado en base a filtros biológicos y procesos biológicos de lecho fluidizado. Al aprovechar simultáneamente las ventajas de los procesos de biopelículas y lodos activados, supera los problemas de bloqueo del empaque y el alto consumo de energía del retrolavado que a menudo se encuentran en los procesos de biopelículas, así como los problemas de pérdida de lodos en los procesos de lodos activados, haciendo que su efecto de tratamiento biológico sea más efectivo.

Los portadores de MBBR están hechos de materiales poliméricos que incorporan varios oligoelementos que promueven la rápida adhesión y crecimiento microbiano. Se modifican y construyen mediante procesos especiales, lo que da como resultado portadores con ventajas como una gran superficie específica, buena hidrofilicidad, alta actividad biológica, rápida formación de biopelículas, buen efecto de tratamiento y larga vida útil.

Los microorganismos pueden adherirse ampliamente al portador MBBR, lo que resulta en un aumento significativo de la biomasa en el sistema de tratamiento biológico mientras se mantiene una concentración de lodo constante. Esto conduce a una mejora correspondiente en la capacidad y eficiencia de tratamiento del sistema y mejora su resistencia a cargas de impacto de diferentes calidades de agua. Cuando la biopelícula adherida al portador MBBR alcanza un cierto espesor, crea un gradiente de oxígeno disuelto, lo que resulta en zonas anóxicas dentro del portador en el tanque aeróbico. Esto permite que las bacterias desnitrificantes realicen la desnitrificación dentro del portador, es decir, nitrificación y desnitrificación simultáneas. Esto conserva eficazmente las fuentes de carbono, lo que permite una buena capacidad de eliminación de nitrógeno incluso con proporciones más bajas de carbono a nitrógeno.

Todos los portadores de MBBR tienen una densidad inferior a 1 y, después de la formación de la biopelícula, su densidad es similar a la del agua, lo que les permite permanecer suspendidos en el agua. En la operación real, se utiliza aireación combinada con agitación para fluidificar los portadores en el agua, formando una fluidización trifásica gas-líquido-sólido. Esto mejora el contacto entre las fases gaseosa, líquida y portadora, mejorando significativamente la eficiencia de utilización del oxígeno y reduciendo efectivamente el volumen de aireación y el consumo de energía.

El proceso MBBR sólo requiere la adición de un aditivo específico y la instalación de una pantalla portadora encima del proceso de tratamiento biológico existente. Logra una capacidad mejorada de eliminación de nitrógeno sin una gran construcción de infraestructura, lo que reduce significativamente los costos de inversión. Muestra perspectivas de desarrollo prometedoras en la modernización y modernización de plantas de tratamiento de aguas residuales.

Los procesos de desnitrificación tradicionales oxidan el NH4+ a NO2- y luego a NO3-. Los agentes activos son bacterias oxidantes de nitritos y bacterias nitrificantes, conocidas colectivamente como bacterias nitrificantes. Se pueden sacar las siguientes conclusiones: la oxidación de nitritos produce más energía que la nitrificación, de ahí su velocidad de reacción más rápida; la oxidación de nitritos genera una gran cantidad de H+, lo que reduce el pH del sistema, mientras que la nitrificación no tiene ningún efecto sobre el pH del sistema; la relación aeróbica entre oxidación de nitritos y nitrificación es de 3:1; Las bacterias oxidantes de nitritos y las bacterias nitrificantes tienen características fisiológicas muy similares, pero las bacterias oxidantes de nitritos tienen una vida útil más corta y un crecimiento más rápido, por lo que son más capaces de adaptarse a cargas de choque y condiciones ambientales adversas.

Cuando se inhiben las bacterias nitrificantes, se acumulará NO2-. Claramente, en el proceso tradicional de eliminación de nitrógeno por nitrificación-desnitrificación, bajo la acción de bacterias desnitrificantes, la desnitrificación puede comenzar a partir de nitrato o nitrito. Sin embargo, la conversión repetida de NO2- a NO3-, y luego de NO3- nuevamente a NO2-, consume más oxígeno disuelto y fuentes de carbono orgánico. Si, en los procesos reales, este proceso de conversión se controla de modo que todo o la mayor parte del NH4+ se convierta en NO2- en lugar de NO3-, y la desnitrificación se produce directamente a partir de NO2-, este proceso se denomina nitrificación-desnitrificación abreviada. Gracias a los incansables esfuerzos de los trabajadores medioambientales, en muchos reactores se ha logrado atajar la nitrificación-desnitrificación.

En comparación con los procesos de desnitrificación tradicionales, la nitrificación-desnitrificación abreviada presenta las siguientes ventajas.

1. Ahorro de energía:Durante la etapa de nitrificación, el suministro de oxígeno se reduce en casi un 25%, reduciendo así el consumo de energía;
2. Ahorra fuente de carbono externa:El proceso de desnitrificación de NO2- a N2 reduce la fuente de carbono orgánico en un 40% en comparación con el proceso de NO3- a N2;
3. Puede acortar el tiempo de retención hidráulica:En un ambiente con alto contenido de amoníaco, la tasa de nitrificación del NH4+ y la tasa de desnitrificación del NO2- son más rápidas que la tasa de oxidación del NO2- y la tasa de desnitrificación del NO3-. Por lo tanto, se puede acortar el tiempo de retención hidráulica y se puede reducir en consecuencia el volumen del reactor.
4. Reducción de la producción de lodos:El coeficiente de rendimiento aparente de las bacterias oxidantes de nitritos es de 0,04~0,13 gVSS/gN, el coeficiente de rendimiento aparente de las bacterias nitrificantes es de 0,02~0,07 gVSS/gN y los coeficientes de rendimiento aparente de las bacterias desnitrificantes de NO2 y de las bacterias desnitrificantes de NO3 son 0,345 gVSS/gN y 0,765 gVSS/gN, respectivamente. Por lo tanto, la producción de lodos se puede reducir entre un 24% y un 33% durante la nitrificación y desnitrificación abreviadas, y entre un 50% durante la desnitrificación.

Problemas:Los procesos abreviados de nitrificación-desnitrificación (SCD) se encuentran actualmente en etapa de investigación, con aplicaciones prácticas de ingeniería limitadas. Debido a la dificultad para controlar factores como la temperatura y el pH durante la etapa SCD, se necesitan tecnologías de detección en línea y control difuso más sofisticadas para lograr procesos SCD estables y ampliar su aplicación.

La oxidación anaeróbica de amoníaco es un proceso de reacción biológica en el que las bacterias anaeróbicas oxidantes de amoníaco utilizan el nitrito como aceptor de electrones para oxidar el nitrógeno amoniacal en gas nitrógeno en condiciones anaeróbicas. Esta reacción suele tener requisitos relativamente estrictos en cuanto a las condiciones externas (pH, temperatura, oxígeno disuelto, etc.), pero debido a que no requiere la participación de oxígeno ni materia orgánica, su investigación y desarrollo de procesos son de importancia para el desarrollo sostenible.

El tratamiento anaeróbico con nitrógeno amoniacal normalmente implica un proceso de nitrificación abreviado previo al tratamiento para convertir una porción del nitrógeno amoniacal de las aguas residuales en nitrito. Ya existen ejemplos exitosos de su aplicación en el tratamiento de aguas residuales de plantas de coque y lixiviados de vertederos.

La oxidación anaeróbica de amonio es una reacción microbiana que produce gas nitrógeno. Ofrece varias ventajas: debido a que el amoníaco actúa directamente como donador de electrones en la desnitrificación, se elimina la materia orgánica exógena, ahorrando costos operativos y previniendo la contaminación secundaria; el oxígeno se utiliza eficazmente, lo que reduce el consumo de energía del suministro de oxígeno; y debido a que parte del amoníaco participa directamente en la oxidación anaeróbica del amonio sin sufrir nitrificación, la producción de ácido se reduce y la producción de álcali es cero, lo que disminuye la cantidad de reactivos químicos necesarios para la neutralización, reduce los costos operativos y mitiga la contaminación secundaria.

Este proceso elimina los sólidos suspendidos (SS), la demanda química de oxígeno (DQO) y la DBO, y realiza la nitrificación, desnitrificación, eliminación de fósforo y AOX (una sustancia nociva). Se caracteriza por integrar oxidación biológica e interceptación de sólidos en suspensión, ahorrando la necesidad de un tanque de sedimentación posterior (tanque de sedimentación secundario). Tiene una gran carga volumétrica y carga hidráulica, un tiempo de retención hidráulico corto, requiere menos inversión en infraestructura, produce buena calidad de efluente, tiene un bajo consumo de energía operativa y ahorra costos operativos.

BAF es un reactor de biopelícula de tercera generación que no solo tiene las ventajas de la tecnología de biopelícula, sino que también desempeña un papel eficaz en la filtración espacial mediante el uso de medios filtrantes especiales y un diseño adecuado de distribución de gas.

Características tecnológicas:

1. El flujo de aire-agua es horizontal y ascendente, lo que garantiza una excelente uniformidad del aire y el agua, evita la formación de burbujas de aire y bloqueos en la capa del medio filtrante y da como resultado una alta utilización de oxígeno y un bajo consumo de energía.
2. A diferencia de la filtración descendente, la filtración ascendente mantiene condiciones de presión positiva en toda la altura del lecho filtrante, lo que puede evitar mejor la formación de canalizaciones o cortocircuitos, evitando así trampas de aire que podrían afectar el proceso de filtración al formar canalizaciones.
3. El flujo ascendente crea condiciones favorables de empuje de semicolumna para el proceso, lo que garantiza la estabilidad y eficacia a largo plazo del proceso BAF incluso con altas tasas y cargas de filtración.
4. El uso de un flujo de aire horizontal hacia arriba permite una mejor utilización del espacio de filtración. El aire puede transportar materia sólida profundamente al lecho filtrante, lo que resulta en una carga alta y materia sólida uniforme en el tanque del filtro, extendiendo así el ciclo de retrolavado y reduciendo el tiempo de limpieza y la cantidad de aire y agua utilizados durante la limpieza.
5. El efecto cortante del medio filtrante sobre las burbujas de aire prolonga el tiempo de residencia de las burbujas de aire en el lecho filtrante, mejorando así la utilización del oxígeno.
6. Debido a la excelente capacidad de interceptación de lodos del filtro, no es necesario instalar un tanque de sedimentación secundario después del BAF.