Nitrificación-desnitrificación de la fracción líquida de purines en reactores SBR. Automatización y control del proceso
Albert Magrí Aloy. GIRO Centro Tecnológico. España ()
09-ago-2007 (hace 17 años 3 meses 12 días)El tratamiento biológico de la fracción líquida de purines
mediante nitrificación-desnitrificación persigue la transferencia
a la atmósfera del nitrógeno amoniacal (NH4+)
inicialmente contenido en el residuo líquido, en forma de nitrógeno
molecular (N2). Asimismo, el carbono orgánico biodegradable
también será eliminado de la fase líquida en forma gaseosa
(dióxido de carbono, CO2).
Aunque son posibles varias configuraciones para este tratamiento, los sistemas discontinuos tipo SBR (Sequencing Batch Reactor) han logrado una elevada popularidad debido a su gran flexibilidad y robustez. La operación de estos reactores está basada en una secuencia de tratamiento -ciclo- que se repite a lo largo del tiempo. La forma más sencilla de controlar la duración de las distintas etapas de un ciclo -llenado, reacción anóxica/aerobia, decantación, vaciado y espera- es mediante el funcionamiento temporizado de los equipos implicados (agitadores, bombas, soplantes, etc.). En estas condiciones, la etapa de reacción transcurrirá ajena a posibles fluctuaciones en la carga del sistema, y por lo tanto, el tratamiento tendrá lugar sin considerar la variabilidad composicional inherente a un sustrato complejo como es la fracción líquida de los purines. Una estrategia de control dinámica, basada en la interpretación a tiempo real de medidas tomadas en el interior del reactor permitirá, en cambio, ajustar el funcionamiento del reactor a las verdaderas necesidades del proceso. Este enfoque habilitará un funcionamiento más eficiente del sistema, permitiendo mejorar la calidad del líquido depurado así como reducir los costes asociados al consumo eléctrico, básicamente por aireación.
La actividad microbiana responsable del tratamiento comporta una serie de cambios fisicoquímicos en el líquido que pueden ser detectados mediante la monitorización en línea de parámetros como el pH, el oxígeno disuelto (OD) o el potencial redox (ORP). Diferentes puntos críticos pueden ser identificados utilizando sensores específicos, ya sea en condiciones aerobias o anóxicas.
pH
La evolución del pH durante el proceso de nitrificación-desnitrificación presenta dos puntos característicos:
- Ammonia Valley. En condiciones aerobias, el consumo de alcalinidad (HCO3-) vinculado al proceso de nitrificación conlleva una disminución del pH hasta alcanzar un valor mínimo, que se corresponde con el final de la nitrificación. Superado este punto, el pH se recupera parcialmente debido a la transferencia del CO2 disuelto a la fase gaseosa. El rango de variación del pH será función directa de la capacidad tampón del líquido.
- Nitrate Apex. En condiciones anóxicas y presencia de materia orgánica biodegradable, la desnitrificación comporta un aumento del pH hasta alcanzar un punto de inflexión, justo antes de iniciar una ligera disminución. Este punto coincide con el final de la desnitrificación.
Oxígeno disuelto
El control de la aireación durante un período aerobio puede realizarse de acuerdo con dos estrategias distintas, según si el caudal de aire suministrado se mantiene constante o, por el contrario, es variable. En el primer caso, el perfil de OD presentará un punto característico:
- αOD. Fijado el caudal de aireación, la concentración de oxígeno disuelto en el líquido aumentará progresivamente hasta alcanzar un punto de inflexión que indicará el final de la nitrificación. Esta evolución se debe a la menor disponibilidad de sustratos oxidables a medida que aumenta el tiempo de exposición al oxígeno.
En caso de trabajar con una aireación variable, el objetivo será mantener una concentración constante de OD en el interior del reactor a lo largo de todo el período aerobio, siendo necesaria la utilización de un controlador tipo PID.
Durante los períodos anóxicos debe asegurarse que no existe una entrada significativa de oxígeno en el sistema debido, por citar un ejemplo, a una agitación excesiva.
Potencial redox
El potencial redox es una medida del estado oxidativo de un sistema acuoso. Su evolución a lo largo de un ciclo presenta dos puntos característicos:
- αORP. La evolución del ORP en condiciones aerobias está muy relacionada con la del oxígeno disuelto. Así pues, con la aireación el valor del ORP aumenta progresivamente hasta alcanzar un punto de inflexión, momento en que finaliza la nitrificación. Este punto coincide en el tiempo con OD.
- Nitrate Knee. En condiciones anóxicas, el ORP tomará valores negativos y su perfil presentará un punto de inflexión coincidiendo con el agotamiento del nitrato acumulado en el sistema.
Conclusiones
A modo de conclusión respecto a la eliminación biológica de nitrógeno en un SBR decir que, el control en línea de se presenta como estrategia más interesante que la simple temporización. Los parámetros habitualmente considerados son el pH, el oxígeno disuelto y el potencial redox, pues dichas sondas son fáciles de utilizar y no excesivamente caras. Es posible controlar en base a la consecución de un determinado valor de consigna, o bien, a la interpretación de la dinámica observada. En cualquier caso, este tipo de control permitirá optimizar el funcionamiento del sistema, tanto en términos de eficiencia como de costes de tratamiento.
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| Representación esquemática del proceso de nitrificación-desnitrificación. |
Aunque son posibles varias configuraciones para este tratamiento, los sistemas discontinuos tipo SBR (Sequencing Batch Reactor) han logrado una elevada popularidad debido a su gran flexibilidad y robustez. La operación de estos reactores está basada en una secuencia de tratamiento -ciclo- que se repite a lo largo del tiempo. La forma más sencilla de controlar la duración de las distintas etapas de un ciclo -llenado, reacción anóxica/aerobia, decantación, vaciado y espera- es mediante el funcionamiento temporizado de los equipos implicados (agitadores, bombas, soplantes, etc.). En estas condiciones, la etapa de reacción transcurrirá ajena a posibles fluctuaciones en la carga del sistema, y por lo tanto, el tratamiento tendrá lugar sin considerar la variabilidad composicional inherente a un sustrato complejo como es la fracción líquida de los purines. Una estrategia de control dinámica, basada en la interpretación a tiempo real de medidas tomadas en el interior del reactor permitirá, en cambio, ajustar el funcionamiento del reactor a las verdaderas necesidades del proceso. Este enfoque habilitará un funcionamiento más eficiente del sistema, permitiendo mejorar la calidad del líquido depurado así como reducir los costes asociados al consumo eléctrico, básicamente por aireación.
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Reactor
SBR a escala laboratorio para el tratamiento de la fracción líquida
de purines y su correspondiente unidad de adquisición de datos,
monitorización y control. |
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La actividad microbiana responsable del tratamiento comporta una serie de cambios fisicoquímicos en el líquido que pueden ser detectados mediante la monitorización en línea de parámetros como el pH, el oxígeno disuelto (OD) o el potencial redox (ORP). Diferentes puntos críticos pueden ser identificados utilizando sensores específicos, ya sea en condiciones aerobias o anóxicas.
pH
La evolución del pH durante el proceso de nitrificación-desnitrificación presenta dos puntos característicos:
- Ammonia Valley. En condiciones aerobias, el consumo de alcalinidad (HCO3-) vinculado al proceso de nitrificación conlleva una disminución del pH hasta alcanzar un valor mínimo, que se corresponde con el final de la nitrificación. Superado este punto, el pH se recupera parcialmente debido a la transferencia del CO2 disuelto a la fase gaseosa. El rango de variación del pH será función directa de la capacidad tampón del líquido.
- Nitrate Apex. En condiciones anóxicas y presencia de materia orgánica biodegradable, la desnitrificación comporta un aumento del pH hasta alcanzar un punto de inflexión, justo antes de iniciar una ligera disminución. Este punto coincide con el final de la desnitrificación.
Oxígeno disuelto
El control de la aireación durante un período aerobio puede realizarse de acuerdo con dos estrategias distintas, según si el caudal de aire suministrado se mantiene constante o, por el contrario, es variable. En el primer caso, el perfil de OD presentará un punto característico:
- αOD. Fijado el caudal de aireación, la concentración de oxígeno disuelto en el líquido aumentará progresivamente hasta alcanzar un punto de inflexión que indicará el final de la nitrificación. Esta evolución se debe a la menor disponibilidad de sustratos oxidables a medida que aumenta el tiempo de exposición al oxígeno.
En caso de trabajar con una aireación variable, el objetivo será mantener una concentración constante de OD en el interior del reactor a lo largo de todo el período aerobio, siendo necesaria la utilización de un controlador tipo PID.
Durante los períodos anóxicos debe asegurarse que no existe una entrada significativa de oxígeno en el sistema debido, por citar un ejemplo, a una agitación excesiva.
Potencial redox
El potencial redox es una medida del estado oxidativo de un sistema acuoso. Su evolución a lo largo de un ciclo presenta dos puntos característicos:
- αORP. La evolución del ORP en condiciones aerobias está muy relacionada con la del oxígeno disuelto. Así pues, con la aireación el valor del ORP aumenta progresivamente hasta alcanzar un punto de inflexión, momento en que finaliza la nitrificación. Este punto coincide en el tiempo con OD.
- Nitrate Knee. En condiciones anóxicas, el ORP tomará valores negativos y su perfil presentará un punto de inflexión coincidiendo con el agotamiento del nitrato acumulado en el sistema.
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Evolución del pH, el OD y el ORP en un reactor SBR durante el proceso de nitrificación-desnitrificación. |
Conclusiones
A modo de conclusión respecto a la eliminación biológica de nitrógeno en un SBR decir que, el control en línea de se presenta como estrategia más interesante que la simple temporización. Los parámetros habitualmente considerados son el pH, el oxígeno disuelto y el potencial redox, pues dichas sondas son fáciles de utilizar y no excesivamente caras. Es posible controlar en base a la consecución de un determinado valor de consigna, o bien, a la interpretación de la dinámica observada. En cualquier caso, este tipo de control permitirá optimizar el funcionamiento del sistema, tanto en términos de eficiencia como de costes de tratamiento.