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