Eliminación avanzada de nitrógeno en EDAR: diseño de proceso MBBR de biopelícula pura y análisis de rendimiento|Estudio de caso

Diseño de ingeniería y rendimiento de un proceso MBBR de biopelícula pura para la eliminación avanzada de nitrógeno

Con el avance integral de la construcción de la civilización ecológica de China, los estándares de descarga de las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) se han vuelto cada vez más estrictos. El estándar de Grado A del "Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales" (GB 18918-2002) requiere TN menor o igual a 15 mg/L, mientras que los estándares locales en regiones como Beijing y Shandong establecen explícitamente el límite en TN menor o igual a 10 mg/L. Estos estándares elevados se extienden más allá de los límites de calidad del agua, imponiendo exigencias más estrictas a la estabilidad de los efluentes. En consecuencia, existe una necesidad apremiante de mejorar la capacidad de eliminación de nitrógeno de los procesos de tratamiento. Un enfoque es aumentar la dosis de la fuente de carbono en el proceso existente para mejorar la desnitrificación, pero esto genera altos costos operativos y mayores emisiones de carbono. Alternativamente, agregar instalaciones avanzadas de eliminación de nitrógeno, que a menudo emplean métodos de biopelículas para enriquecer eficientemente las bacterias desnitrificantes, puede mejorar la eliminación de TN, reducir la necesidad de fuentes externas de carbono y reducir las emisiones de carbono. El reactor de biopelícula de lecho móvil (MBBR), con sus ventajas de fuerte enriquecimiento de bacterias funcionales, tamaño reducido y operación y mantenimiento simples, se ha aplicado ampliamente en la construcción, expansión y mejora de EDAR. Puede alcanzar de manera estable estándares de descarga mejores que la calidad del agua superficial casi Clase IV y tiene un potencial y ventajas significativos para la eliminación avanzada de nitrógeno en las EDAR. Este artículo toma una EDAR en Shandong como estudio de caso para analizar la lógica del diseño y el rendimiento operativo de la aplicación de un proceso MBBR de biopelícula pura para la eliminación avanzada de nitrógeno, con el objetivo de proporcionar una referencia técnica para la desnitrificación eficiente de aguas residuales.

1. Descripción general del proyecto

1.1 Introducción al proyecto

Se construyó una EDAR en Shandong en dos fases. La primera fase, que utiliza el proceso BIOLAK, se puso en funcionamiento oficialmente en noviembre de 2003 con una capacidad de tratamiento de 40.000 m³/d. El diseño del proceso BIOLAK y el área disponible para la actualización se muestran enFigura 1. Inicialmente, la calidad del efluente cumplía con el estándar de Grado B de GB 18918-2002. Para 2020, mediante una dosificación mejorada de la fuente de carbono y la adición de un tratamiento avanzado, la calidad del efluente mejoró hasta alcanzar el estándar de Grado A. Para 2023, después de tres años de operación, la calidad general del efluente podría cumplir con el estándar de Grado A, pero enfrentó dos desafíos importantes con respecto a la eliminación de nitrógeno:

Dosis de fuente alta de carbono: Para lograr el objetivo de TN inferior o igual a 15 mg/L, se requirió una cantidad sustancial de fuente de carbono externa. Los cálculos basados ​​en secciones del proceso mostraron una relación C/N de hasta 5,9, mientras que el proceso AAO en la segunda fase de la planta requirió solo una C/N de 4,5 a 5,0 para garantizar un cumplimiento estable de TN. La gran adición de fuentes de carbono también afectó negativamente el proceso de nitrificación aeróbica, aumentando la demanda de oxígeno en la zona aeróbica.

Mala estabilidad de la eliminación de nitrógeno: Dado que la nitrificación y la desnitrificación se produjeron en el mismo tanque en diferentes condiciones requeridas, los parámetros operativos requirieron ajustes frecuentes en función de los cambios del afluente. Controlar NH₃-N y TN era contradictorio, lo que dificultaba mantener un equilibrio estable entre nitrificación y desnitrificación. La resistencia a la carga de impacto del sistema fue promedio, lo que provocó una mala estabilidad del efluente.

Por lo tanto, era necesaria una actualización del proceso BIOLAK original, con el objetivo principal de resolver el conflicto entre nitrificación y desnitrificación, reducir los costos operativos de eliminación de nitrógeno y mejorar la estabilidad del efluente.

1.2 Desafíos de actualización

Como el proceso BIOLAK no era adecuado para modificarlo en-tanque para mejorar el rendimiento, el plan era fortalecer el tratamiento mediante la construcción de una nueva unidad avanzada de eliminación de nitrógeno. El proceso BIOLAK original se centraba principalmente en la nitrificación con la desnitrificación como secundaria, mientras que el nuevo proceso se centraría en la desnitrificación. Dadas las necesidades reales de renovación, el proyecto enfrentó dos desafíos principales: terreno disponible limitado para el nuevo proceso y requisitos de alta eficiencia operativa.

Terreno disponible limitado para nuevo proceso: La nueva construcción tuvo que realizarse dentro del sitio de la planta existente, que prácticamente no tenía terreno reservado. La construcción sólo fue posible en un cinturón verde adyacente a los tanques de BIOLAK, con una superficie disponible de 400 m². Esto significaba que la huella del nuevo proyecto por unidad de agua tratada tenía que ser inferior o igual a 0,01 m²/(m³·d).

Requisitos de alta eficiencia operativa: No se trataba de una simple mejora, sino de una mayor optimización de la zona funcional bioquímica. Se esperaba que la nueva unidad manejara una carga de eliminación de nitrógeno de 20 mg/L. Este proceso no solo tenía que completarse en un terreno limitado, sino que también debía reducir la dosis de la fuente de carbono en comparación con la desnitrificación BIOLAK original y, al mismo tiempo, garantizar un rendimiento de desnitrificación estable. Por lo tanto, se impusieron altas exigencias tanto a la eficiencia de eliminación de nitrógeno como a la eficiencia de utilización de la fuente de carbono.

2. Comparación y selección de procesos

Después del tratamiento mediante el proceso BIOLAK, el efluente TN se compone principalmente de nitrógeno nitrato. Actualmente, los procesos maduros y avanzados de eliminación de nitrógeno utilizan principalmente métodos de biopelícula, caracterizados por microorganismos que se enriquecen eficientemente en las superficies portadoras en un estado adherido, lo que ofrece una eficiencia de enriquecimiento de bacterias funcionales significativamente mayor que los procesos convencionales de lodos activados. Los procesos de biopelículas se pueden dividir a su vez en tipos de lecho fijo-y de lecho móvil-según la fluidización del portador, como se muestra enFigura 2.Los filtros desnitrificantes, procesos típicos de biopelículas de lecho fijo-, utilizan medios filtrantes granulares fijos como portadores de crecimiento microbiano. Al agregar una fuente de carbono externa, aprovechan la desnitrificación de la biopelícula y la filtración del medio para lograr la eliminación simultánea de NO₃.^--N, SS y otros contaminantes. Las ventajas incluyen una calidad estable del agua tratada, la ausencia de necesidad de clarificadores secundarios y un diseño compacto, lo que los hace ampliamente utilizados en las mejoras de las EDAR como una unidad de tratamiento avanzada para fortalecer la eliminación de TN del efluente secundario. Sin embargo, el enfoque operativo debe estar en el impacto de C/N en la eficiencia de la desnitrificación avanzada. El proyecto de mejora de la Fase I de la EDAR de Pingtang, también con una capacidad de 40 000 m³/d, utilizó un filtro desnitrificante + flotación por aire disuelto (DAF) de alta-eficiencia como proceso de tratamiento avanzado para elevar el TN del efluente a estándares de aguas superficiales cuasi{8}}Clase IV, logrando una huella de alrededor de 0,045 m²/(m³·d), ahorrando terreno y permitiendo un tratamiento eficiente, pero con una C/N tan alta como 18.34. Para cumplir con los nuevos estándares locales para TN de efluentes, la planta de recuperación de agua Chengdu No. 9 adoptó un tanque de sedimentación de alta-densidad y un filtro de lecho profundo-desnitrificador como proceso de actualización, con una C/N de 5,7, logrando un tratamiento avanzado bajo altos estándares. La EDAR de Dingqiao en Haining no pudo cumplir con los estándares de descarga de Grado A requeridos para la cuenca del río Qiantang. Gao Feiya et al. utilizó un filtro de lecho profundo-desnitrificante para un tratamiento avanzado de TN, eliminando simultáneamente SS y TP, acercando la calidad del efluente a los estándares cuasi{19}}Clase IV, pero con una alta C/N de 15,68, lo que genera altos costos de eliminación de nitrógeno. Además, los procesos de filtración requieren un retrolavado regular, generalmente utilizando aire-agua, lo que puede afectar la estabilidad operativa.

inestabilidad en los filtros desnitrificantes, la investigación sobre la aplicación de la desnitrificación autótrofa (SAD) basada en azufre-a los filtros desnitrificantes ha llamado la atención. SAD utiliza azufre elemental o compuestos de azufre como donadores de electrones en condiciones anaeróbicas o anóxicas para reducir el NO₃.^--N a N₂. Ofrece ventajas como una buena eficiencia de desnitrificación, la ausencia de necesidad de una fuente de carbono orgánico, un bajo costo operativo y una baja producción de lodos. Song Qingyuan et al. estudiaron el efecto de eliminación de nitrógeno de un filtro SAD en el efluente secundario. Después de optimizar las condiciones piloto, la eliminación de nitratos se mantuvo estable por encima del 95 %, pero la tasa de consumo de medios alcanzó el 20 % anual, acompañada de una mayor concentración de sulfato en el efluente y una disminución del pH. Para evitar riesgos de contaminación secundaria por SAD, Li Tianxin et al. Medios preparados peletizando una mezcla de azufre y polvo de piedra caliza. La adición de una cierta proporción de piedra caliza al lecho filtrante neutralizó la acidez generada y produjo un precipitado de CaSO₄, lo que redujo la concentración de sulfato del efluente y abordó de manera efectiva los problemas de producción de ácido y altos niveles de sulfato. Sin embargo, la piedra caliza ocupó el espacio destinado a los medios donantes de electrones dentro del sistema, lo que debilitó la capacidad de desnitrificación avanzada, aumentó la dureza del efluente y aumentó los costos operativos. La investigación actual sobre la tecnología SAD se realiza principalmente a escala piloto y de laboratorio, y no hay suficiente experiencia en ingeniería como referencia. Se necesita más investigación aplicada antes de la promoción a escala industrial-.

MBBR es un representante típico de los procesos de biopelículas en lecho fluidizado-y una nueva tecnología de tratamiento de aguas residuales que ha recibido mucha atención en los últimos años. Utiliza portadores suspendidos con una densidad cercana a la del agua para enriquecer específicamente los microorganismos, formando una biopelícula para lograr una eliminación avanzada del nitrógeno. Los procesos de biopelículas en lecho fluidizado-también evitan problemas de obstrucción y retrolavado de los medios. Actualmente, el MBBR de biopelícula pura para la desnitrificación avanzada de EDAR tiene más de 20 años de experiencia operativa exitosa en el extranjero y está experimentando una aplicación cada vez más amplia en China. Zheng Zhijia et al. utilizó un proceso MBBR de biopelícula pura de dos-etapas para la desnitrificación avanzada. A C/N=4.0, el nitrógeno nitrato efluente del sistema se estabilizó en (1,87 ± 1,07) mg/L, con una tasa promedio de eliminación de TN del 93,3 %. Una EDAR de una zona de desarrollo en una determinada ciudad construyó un nuevo bio-biotanque MBBR como tratamiento terciario avanzado para mejorar la desnitrificación. La carga de eliminación de TN en la sección anóxica del MBBR de biopelícula pura fue de 1,1 g/(m²·d), lo que mejoró la confiabilidad de la desnitrificación del sistema. Gao Yanbo et al., con el objetivo de aumentar la capacidad de la planta original, construyeron un nuevo biotanque MBBR de biopelícula pura AO de dos etapas, logrando un TN efluente estable por debajo de 5 mg/L con alta eficiencia de desnitrificación. Por lo tanto, el proceso MBBR de biopelícula pura muestra un gran potencial para la eliminación avanzada de nitrógeno en las EDAR, combinando ventajas como una alta eficiencia de utilización de la fuente de carbono, una alta carga de tratamiento y una huella pequeña. Sin embargo, también impone mayores exigencias a los equipos, lo que requiere equipos confiables para respaldar la operación estable del proceso. En la siguiente figura se muestra una comparación de los procesos comunes de eliminación avanzada de nitrógeno.Tabla 1.

Según una comparación exhaustiva, aunque el proceso SAD no requiere la adición de una fuente de carbono, su aplicación actual aún no está madura y conlleva riesgos de contaminación secundaria, por lo que no se consideró para esta actualización. Aunque los filtros desnitrificantes se utilizan ampliamente, se emplean principalmente en mejoras de EDAR donde el TN afluente/efluente de diseño suele ser de 15/12 mg/L, manejando una carga de eliminación de TN relativamente pequeña. Dado que este proyecto requería cumplir con altas demandas de eliminación de TN a largo plazo-, la operación acortaría significativamente el ciclo de retrolavado del filtro, lo que aumentaría la dificultad operativa y la inestabilidad. El proceso MBBR de biopelícula pura combina ventajas como una alta eficiencia de utilización del carbono, sin necesidad de retrolavado, aplicación madura y sin contaminación secundaria. Teniendo en cuenta los desafíos del proceso y los requisitos de renovación, el proyecto finalmente seleccionó la construcción de un nuevo bio-bio{7}}MBBR de biopelícula pura (en lo sucesivo, el tanque MBBR) como solución avanzada de eliminación de nitrógeno para la primera fase, diseñado con una relación C/N=4.5 y un período de recuperación de la inversión planificado de 7,37 años.

3. Plan de nueva construcción

3.1 Flujo del proceso

El flujo del proceso de tratamiento de aguas residuales después de la renovación se muestra enFigura 3. El afluente de la planta pasa a través de filtros finos, cámaras de arena de vórtice y tanques de sedimentación primaria antes de ingresar al bio-tanque BIOLAK para la eliminación de materia orgánica, nitrógeno amoniacal, etc. Luego se eleva mediante bombas al tanque MBBR para una eliminación avanzada del TN. El tanque MBBR está diseñado para un TN afluente de 35 mg/L y un TN efluente menor o igual a 15 mg/L. El efluente de MBBR se eleva mediante bombas secundarias al tratamiento avanzado existente en la planta para la separación de sólidos-líquidos y el desperdicio de lodos. El efluente final se desinfecta antes de descargarlo al río receptor. El lodo sobrante se espesa, se deshidrata y se transporta fuera del sitio para su eliminación.

3.2 Nuevo tanque MBBR

El tanque MBBR emplea un proceso AO, construido utilizando tanques Lipp para ensamblaje modular, completado en 30 días. El tiempo total de retención hidráulica (HRT) del sistema es de 1,43 horas. Dentro de los tanques se agregan portadores suspendidos aeróbicos y anóxicos especializados tipo SPR-III, con una relación de llenado del 60% en la zona aeróbica y del 55% en la zona anóxica. Los soportes son cilíndricos achatados, de 25 mm de diámetro y 10 mm de altura, con una superficie específica efectiva superior o igual a 800 m²/m³. La zona anóxica está equipada con 4 MBBR-mezcladores de frecuencia variable-dedicados (tipo de potencia química SPR), N=5.5 kW cada uno, que proporcionan una fluidización uniforme y suficiente para los portadores. Después de la maduración de la biopelícula, se hacen funcionar 2 mezcladores de forma rutinaria, mientras que los otros 2 están en espera en caliente. La zona aeróbica utiliza sopladores de tornillo para aireación. Un solo soplador tiene una capacidad de aire de 14,50 m³/min, una presión de 90 kPa, N=22 kW. Se instala un conjunto de difusores de tubo perforado (tipo SPR) dedicados a la zona aeróbica. Debido al bajo volumen de aireación requerido, los sopladores de Fase I existentes generalmente se pueden utilizar, con el nuevo soplador y los sopladores de Fase I sirviendo como respaldo mutuo. Tanto en la zona aeróbica como en la anóxica se instalan nuevas pantallas de interceptación de material (tipo SPR), de 12 mm de espesor y con una vida útil diseñada de 30 años.

3.3 Nuevas instalaciones de apoyo

• Sistema Influente: El efluente del bio-tanque BIOLAK se eleva al tanque MBBR.. 4 se instalan bombas de entrada (2 de servicio, 2 de reserva), cada una con Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Sistema de dosificación de fuente de carbono: El efluente del bio-tanque biológico BIOLAK Fase I contiene solo DQO que es difícil de utilizar. Para garantizar una desnitrificación avanzada en la zona anóxica del tanque MBBR, se utiliza acetato de sodio como fuente externa de carbono.. 4 Se instalan bombas dosificadoras (2 de servicio, 2 de reserva), cada una con Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.