Estudio de optimización de la eliminación biológica de fósforo en la EDAR de Murcia-Este

Abstract

[ES] La EDAR de Murcia-Este, situada en el margen norte del río Segura al que vierte su efluente, fue diseñada para eliminar conjuntamente materia orgánica, nitrógeno y fósforo. Mientras que para la materia orgánica y el nitrógeno se han observado eficiencias de eliminación elevadas y constantes en el tiempo, para el fósforo estas eficiencias se han demostrado altamente variables. Esto podría suponer un hándicap no solo a causa de vertidos potencialmente contaminantes, sino también ante un escenario en el que se desea llevar a cabo el proceso de recuperación del fósforo. Plantear la recuperación del recurso fósforo de las aguas residuales requiere en primer lugar obtener una óptima eliminación biológica de fósforo. Conseguir la efectiva eliminación de fósforo por vía biológica requiere de la modificación de la configuración de los reactores que permita un conveniente desarrollo de las PAO. En el presente proyecto se realiza un estudio de las condiciones de funcionamiento de la línea de aguas de la EDAR de Murcia-Este, analizándose las características del agua residual influente y de su régimen de caudales entre los años 2016 y 2019, con el objetivo de hallar estrategias que permitan optimizar el crecimiento de las bacterias PAO modificando la operación de las cámaras del reactor biológico y, por consiguiente, la eliminación biológica del fósforo. Para ello, se emplea el software de modelización DESASS que permite simular las condiciones del proceso de la EDAR, calibrar los parámetros biológicos de la biomasa, realizar modificaciones en los esquemas de operación y contrastar sus efectos. Tras simular el desempeño de la EDAR, se concluye que, para optimizar eliminación de fósforo sin perjudicar la depuración del resto de contaminantes, es necesario que el volumen de la cámara aerobia sea de al menos un 65% del total, el de la cámara anoxia de al menos un 10% y que el volumen de la cámara anóxica no puede ser menor de un 20%. Bajo estas condiciones se ha propuesto la alternativa de construir una cámara anóxica que suponga un 10% del volumen total, lo que supone que la cámara anaerobia sea del 23% y la aerobia del 67%. Esta nueva configuración, unida a cambios operacionales del reactor, ha permitido aumentar la concentración de bacterias PAO en el reactor un 5%, favoreciendo la eliminación biológica de fósforo, que se ha incrementado desde apenas el 65 hasta el 87% del fósforo total de entrada. De esta manera, el fango biológico ha aumentado su concentración de fósforo desde los 306.3 Kg P/día iniciales hasta 428.6 Kg P/día.

Con este fango biológico enriquecido en fósforo, se ha simulado un posible escenario de recuperación en forma de estruvita. Los resultados obtenidos demostraron que los cambios en la configuración del reactor biológico permitieron aumentar la cantidad de fosforo de la corriente de recuperación 2.6 veces, desde unos 63.98 Kg P-PO4/día hasta los 166.89 Kg P-PO4/día haciendo viable la recuperación del fósforo que aumentaría hasta alcanzar el 30% total de la entrada a la planta. Esta recuperación se traduciría en la producción de 141.67 toneladas anuales de estruvita, obteniendo el beneficio social de devolver un recurso valioso a los ciclos productivos y el beneficio ambiental de un vertido menos contaminante. Además, el beneficio económico de la venta de estruvita permitiría recuperar la inversión inicial en 8 años y a partir de entonces se generarían 2.853,20 €/año.

[EN] The Murcia-Este WWTP, located on the north bank of the Segura River to which it discharges its effluent, was designed for the simultaneous removal of organic matter, nitrogen and phosphorus. While high and constant removal efficiencies have been observed over time for organic matter and nitrogen, phosphorous removal efficiencies have proven to be highly variable. This could be a handicap not only due to potentially contaminating discharges, but also in a scenario where phosphorus recovery processes are desired. Proposing the recovery of the phosphorus resource from wastewaters first requires achieving optimal biological phosphorus removal. Achieving the effective elimination of phosphorus by biological may require a modification in the configuration of the reactors that allows for a suitable development of the PAO. In this project, a study on the operating conditions of the water line of the Murcia-Este WWTP is carried out, analyzing the characteristics of the influent wastewater and its flow regime between 2016 and 2019, with the aim of finding strategies to optimize the growth of PAO by modifying the operation of the biological reactor chambers and, consequently, the biological elimination of phosphorus. For this purpose, the DESASS modelling software is used to simulate the conditions of the WWTP process, calibrate the biological parameters of the biomass, make modifications in the operating schemes and verify their effects. Based on the results obtained in the simulations, the proposed modifications are evaluated in order to choose the most appropriate solution. After simulating the performance of the WWTP, it is concluded that, to optimize phosphorus removal without compromising the treatment of other contaminants, it is necessary for the volume of the aerobic chamber to be at least 65% of the total, the anoxic chamber at least 10%, and the volume of the anoxic chamber cannot be less than 20%. Under these conditions, the alternative of constructing an anoxic chamber representing 10% of the total volume has been proposed, with the anaerobic chamber being 23% and the aerobic chamber 67%. This new configuration, combined with operational changes in the reactor, has increased the concentration of PAO bacteria in the reactor by 5%, favoring the biological removal of phosphorus, which has increased to 87% of the total input phosphorus. In this way, the biological sludge has increased its phosphorus concentration from the initial 306.3 kg P/day to 428.6 kg P/day. With this phosphorus-enriched biological sludge, a possible scenario of recovery in the form of struvite was simulated. The results obtained demonstrated that changes in the configuration of the biological reactor allowed an increase in the quantity of phosphorus in the recovery stream by 2.6 times, from about 63.98 kg P-PO4/day to 166.89 kg P-PO4/day, making the recovery of phosphorus viable, which would increase to reach 30% of the total input to the plant. This recovery would translate into the production of 141.67 tons of struvite annually, achieving the social benefit of returning a valuable resource to productive cycles and the environmental benefit of a less polluting discharge. Additionally, the economic benefit of struvite sales would allow for the recovery of the initial investment in 8 years, and from then on, 2.853,20 €/year would be generated.