Desempeño de un reactor SHARON en la remoción de carbono y nitrógeno - Torres Bojorges, Ángeles Xitlalli (Universidad Autónoma Metropolitana, 2007)
Discharges of nitrogen into the wastewaters, which is generally ammonium, has been removed through a two step sequential process: autotrophic nitrification and heterotrophic denitrification. As a first step ammonium is converted to nitrate under aerobic conditions (nitrification). In a second step nitrate is reduced to nitrogen gas (denitrification). At the present time, there are technologies that could offer an alternative for the biological nitrogen removal. One of these technologies is a partial nitrification, such as the SHARON (Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite) process, where the ammonium is oxidized to nitrite only. To achieve partial nitrification the most common strategy employed is to deter aerobic nitrite oxidizers controlling environmental parameters such as dissolved oxygen (OD) concentration, pH and hydraulic residence time (HRT). Due to their lower affinity for oxygen, nitrite oxidizers do not compete well with ammonium oxidizers at low DO concentrations (<2 mg·L-1). A raise in pH above 7.5, increases the amount of free ammonia (NH3). Therefore, small changes in pH may cause significant inhibition on nitrite oxidizing activity at concentrations above 10 mg N-NH3·L-1. Nitrite oxidizers may be washed out by lowering enough the hydraulic retention time, so the dilution rate becomes higher than the growth rate of nitrite oxidizers but lower than the growth rate of ammonium oxidizers. Usually the effluents generated from industry contain high organic carbon load and low nitrogen concentrations. Therefore, the total organic carbon to nitrogen ratio (C/N) from wastewater is a fundamental parameter to take into account. The organic concentration has been considered a major factor affecting the nitrification performance. The inhibitory effect is the localized competition between the heterotrophs and the nitrifiers for oxygen, nutrients and space. The objectives of this study were to evaluate, through an experimental set up, the capacity of SHARON process to remove organic carbon and nitrogen, and the effect of organic matter on the partial nitrification. The partial nitrification according to the SHARON process was carried out in a continuous stirred tank reactor. In a first stage, the start up of the SHARON reactor was set with a nitrogen loading rate of 0.18 kg N·m-3·d-1 and a inorganic carbon/nitrogen ratio of Cinorg:N = 5. The HRT and OD concentration were fixed at 1 d and below 2 mg·L-1. The ammonium uptake and oxidation efficiencies were 92% and 38%, respectively. The second and third stage were fed with a nitrogen loading rate of 0.08 and 0.156 kg N·m-3·d-1, respectively. The HRT was set in 3 d, besides a settling tank was incorporated to the system. The Cinorg:N ratio was reduced to 0.3. The oxidation of ammonium to nitrite is independent of the sludge age when the system is operated at low OD concentrations. In the second stage, the ammonium uptake and oxidation efficiencies were of 93% and 53%, respectively, and in the third stage were of 96% and 53%. In the fourth stage, organic matter was added in form of acetate. The nitrogen loading rate was 0.168 kg N·m-3·d-1 and organic loading rate was 0.56 kg C·m-3·d-1 at a organic carbon/nitrogen ratio of Corg:N = 1.0. The HRT and Cinorg:N ratio was set in 3 d and 0.3, respectively. OD concentration was kept below 2 mg·L-1. A significant growth of biomass occurred in the system. At the end of third stage, the mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS) were 1.1 g·L-1 and in the fourth stage these solids were 1.32 g·L-1. However, the sludge developed “bulking”, in other words, sludge with inefficient settling characteristics. The organic matter showed a negative effect on the nitrifying process. The ammonia uptake and oxidation efficiencies decreased to 45% and 6%, respectively. In the last operational stage, OD concentration was increased between 3 and 4 mg·L-1. Ammonium uptake and oxidation efficiencies were recovered after 30 days with this increment in OD level attaining 76% and 49%, respectively. In any operational stage, no nitrate production was observed. Acetate uptake efficiency was 100% in the fourth and fifth stages.; El nitrógeno presente en las descargas de aguas residuales, generalmente, se encuentra como amonio (NH4+). Para eliminarlo se requieren dos procesos biológicos: la nitrificación autotrófica, donde el amonio es transformado a nitrato bajo condiciones aerobias, y posteriormente en la desnitrificación heterotrófica, el nitrato obtenido es reducido hasta N2 en un proceso anóxico. Sin embargo, en la actualidad existen diversas alternativas biotecnológicas para la remoción del nitrógeno que resultan competitivas gracias a los ahorros en costo, tiempo y espacio. Una de estas tecnologías es el sistema SHARON (Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite) en el que se realiza una nitrificación parcial, es decir, el amonio solo es oxidado hasta nitrito. El objetivo para producir solamente el intermediario deseado es la eliminación de la población nitrito-oxidante del sistema. Esto se consigue empleando estrategias como: mantener una baja concentración de oxígeno disuelto (<2 mg·L-1), incrementar el valor de pH por arriba de 7.5 a fin de elevar la concentración de amoniaco libre (NH3) en el medio, el cual resulta tóxico para las bacterias nitrito-oxidantes a concentraciones de 0.1 a 10 mg N-NH3·L-1, o ajustar la tasa de dilución, de tal manera que sea mayor que la tasa de crecimiento de las bacterias nitritooxidantes pero menor que la tasa de crecimiento de las bacterias amonio-oxidantes. Si este sistema se desea emplear con efluentes cuya relación Corg:N sea mayor que 1 como son los efluentes industriales, se debe considerar que uno de los factores que afectan a la nitrificación es la presencia de materia orgánica en el sistema, ya que favorece el crecimiento de bacterias heterotróficas, las cuales competirán con los microorganismos autotróficos por el oxígeno y los nutrientes, desplazándolos del sistema. En el presente trabajo se evaluó la capacidad de remoción simultánea de carbono y nitrógeno del sistema SHARON estudiando el efecto de la materia orgánica en la oxidación parcial del NH4+. Para alcanzar este objetivo se puso en marcha un reactor continuo de tanque agitado para llevar a cabo la nitrificación parcial, a una velocidad de carga de N-NH4 + de 0.18 kg·m-3·d-1, con una relación Cinorg:N de 5 y con tiempo de residencia hidráulico (TRH) de 1 día en donde la concentración de oxígeno disuelto (OD) fue menor a 2 mg·L-1. Durante el arranque se obtuvieron eficiencias de consumo de amonio y conversión a nitrito de 92% y 38%, respectivamente, con problemas de lavado de biomasa. En dos etapas posteriores de la operación del reactor, el sistema se alimentó a una velocidad de carga de N-NH4 + de 0.08 y 0.156 kg·m-3·d-1, respectivamente. A partir de la segunda fase el TRH se estableció en 3 días, además de que se incorporó un sedimentador al sistema con lo que disminuyeron los problemas de lavado de biomasa. También se modificó la relación Cinorg:N disminuyéndola a 0.3. Se observó que la oxidación del amonio a nitrito, al operar el sistema a bajas concentraciones de oxígeno disuelto, es independiente de la edad del lodo. La limitación de oxígeno en el sistema favoreció la presencia de procesos de remoción de amonio y nitrito simultáneos. Las eficiencias de consumo de amonio y conversión a nitrito en la segunda etapa fueron de 93% y 53%, respectivamente. En la tercera etapa estas eficiencias fueron de 96% y 53%. En la cuarta fase del proceso, se adicionó materia orgánica, siendo el acetato la fuente de carbono orgánico. La relación Corg:N fue de 1.0. El TRH y la relación Cinorg:N continuaron en 3 días y 0.3, respectivamente. La velocidad de carga de N-NH4 + fue de 0.168 kg m-3 d-1. Al inicio de esta fase, la concentración de oxígeno disuelto fue de 2 mg·L-1. Aladicionarse la materia orgánica al sistema se apreció un incremento en la concentración de sólidossuspendidos volátiles, de 1.1 g·L-1 a 1.32 g·L-1. Sin embargo, el lodo presentó un esponjamiento loque ocasionó falta de sedimentación. A pesar de esto, la concentración de biomasa se establecióen 1.4 g·L-1. La materia orgánica tuvo un efecto negativo sobre el proceso nitrificante, ya que la eficiencia de consumo y de conversión disminuyó hasta 45% y 6% en cada caso. Al observarse esta caída en el consumo de amonio y la subsecuente conversión a nitrito, en la última etapa de operación, se incrementó la concentración de oxígeno disuelto en el medio hasta 4 mg·L-1. Con este incremento las eficiencias de consumo y conversión de nitrógeno se recuperaron al cabo de 30 días, situándose en 76% y 49%, respectivamente. En ninguna de las etapas de operación se observó la producción de nitrato. En cuanto al carbono, el sistema tuvo eficiencias de consumo de acetato del 100%.