Estudio de la eliminación/recuperación de nitrógeno en el permeado de la ultrafiltración de la línea de aguas de una EDAR mediante eliminación por nitrificación parcial y recuperación con zeolitas

Abstract

[ES] Los procesos convencionales de depuración del agua residual presentan un elevado consumo energético y no permiten la recuperación de los recursos presentes en el agua. En la transformación de las Estaciones Depuradoras de Agua Residual (EDAR) en estaciones de recuperación de recursos, los procesos de redirección de carbono, como la ultrafiltración del agua residual (UF), juegan un papel crucial. Esta tecnología envía toda la materia orgánica suspendida y parte de la soluble a la digestión anaerobia. Tras la filtración, la línea principal de aguas presenta una composición diferente a la tradicional, principalmente una baja ratio de materia orgánica por unidad de nitrógeno (DQO/N) ausencia de sólidos suspendidos. Esta tesis doctoral tiene como objetivo estudiar experimentalmente, y con modelos matemáticos, diferentes alternativas de tratamiento del permeado de una planta piloto de UF de agua residual urbana real para lograr un efluente que cumpla con los requisitos de vertido. Los esquemas propuestos permiten aprovechar las infraestructuras existentes de las EDARs. La tesis está estructurada en cuatro bloques: 1- Estudio proceso convencional de nitrificación-desnitrificación (ND). Los resultados indican que el proceso de filtración retiene una elevada concentración de materia orgánica y reduce la ratio DQO/N por debajo de las condiciones estequiométricas necesarias, provocando que no todo el nitrógeno pueda ser eliminado mediante ND. Para poder mantener este tratamiento se necesitaría baipasear una parte del agua de entrada al proceso de filtración, para ajustar la ratio DQO/N al valor necesario, o aplicar esta alternativa en aquellos influentes con una alta concentración de materia orgánica soluble, ya que una parte de esta fracción no será retenida. 2- Evaluación del proceso de nitrificación parcial (NP) seguido del proceso Anammox. Ambas etapas biológicas no requieren de materia orgánica para la eliminación del nitrógeno y su consumo energético es menor, al reducir las necesidades de aireación. Experimentalmente se estudió el proceso de NP en la línea principal de aguas. Regulando la duración de la fase aerobia mediante un controlador basado en el pH y el oxígeno, mantenido una concentración de oxígeno de 0.5 mg O2/L y tiempos de retención celular de 3 a 10 días, se consiguió acumular N-NO2 en el reactor. El modelo matemático confirmó la importancia de estos parámetros de operación. 3- Concentración del nitrógeno mediante columnas de intercambio catiónico (IC) y recuperación en contactores de membranas (HFMC). Inicialmente se seleccionó el material adsorbente a partir de los resultados de los ensayos de cinéticas de adsorción. La zeolita natural, el material escogido, se caracterizó y se analizó la influencia de los interferentes mediante las isotermas de adsorción. También se analizó qué regenerante ofrecía mejores resultados. Por último, se realizaron varios ensayos en columnas de adsorción para estudiar la influencia del caudal de trabajo y la concentración de amonio en el afluente sobre la capacidad de adsorción de amonio y el volumen de permeado tratado antes de alcanzar el punto de ruptura. Así mismo se ha estudiado el efecto del caudal de regeneración y la concentración del agente regenerante sobre la capacidad de regeneración y la concentración de la corriente rica en nitrógeno. Se observó cómo con la medida de la conductividad es posible determinar la duración de ambas fases. Los datos experimentales, los resultados de los modelos matemáticos y un balance económico sirvieron para determinar las condiciones de operación. 4- Análisis económico y ambiental de las tres alternativas propuestas para identificar las alternativas viables en la mejora de una EDAR existente o construcción de una nueva instalación. En ambos escenarios el proceso de UF resultó ser el principal limitante para la implantación de alguna de las alternativas. Realizando una proyección futura sobre cómo estará esta tecnología en un corto plazo se est

[CA] Els processos convencionals de depuració de l'aigua residual presenten un elevat consum energètic i no permeten una recuperació dels recursos presents en l'aigua. En la transformació de les Estacions Depuradores d'Aigua Residual (EDAR) en estacions de recuperació de recursos, els processos de redirecció de carboni, com la ultrafiltració de l'aigua residual (UF) juguen un paper crucial. Aquesta tecnologia envia tota la matèria orgànica suspesa i part de la soluble (la fracció col·loidal) a la digestió anaeròbia. Després de la filtració, la línia principal d'aigües presenta una composició diferent de la tradicional, un baix ràtio de matèria orgànica per unitat de nitrogen (DQO/N) i està exempt de sòlids suspesos. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu estudiar experimentalment, i amb models matemàtics, diferents alternatives de tractament del permeat d'una planta pilot d'ultrafiltració d'aigua residual urbana real per a aconseguir un efluent que complisca amb els requisits d'abocament. Els esquemes proposats permeten aprofitar les infraestructures existents de les EDARs. La tesi està estructurada en quatre blocs: 1- Estudi del procés convencional de nitrificació-desnitrificació (ND). Els resultats experimentals indiquen que el procés de filtració reté una elevada concentració de matèria orgànica i redueix el ràtio el ràtio DQO/N per baix de les condicions estequiomètriques necessàries, que no tot el nitrogen puga ser eliminat amb ND. Pel que per a poder mantindre aquest tractament es necessitari bypasear una part de l'aigua d'entrada el procés de filtració que parteix de l'aigua d'entrada per a ajustar el ràtio DQO/N al valor necessari, o aplicar-lo en aquells influents amb una alta concentració de matèria orgànica soluble, ja que una part d'aquesta fracció no serà retinguda. 2- Avaluació del procés de nitrificació parcial (NP) seguit del procés Anammox. Totes dues etapes biològiques no requereixen de matèria orgànica per a l'eliminació del nitrogen i el seu consum energètic és menor, en reduir les necessitats de ventilació. Experimentalment es va estudiar el procés de NP en la línia principal d'aigües.Reglant la duració de la fase aeròbia mitjançant un controlador basat en el pH i l'oxigen, mantingut una concentració d'oxigen de 0.5 mg O2/L i temps de retenció cel·lular de 3 a 10 dies, es va aconseguir acumular NO2 en el reactor. El model matemàtic va confirmar la importància d'aquests paràmetres d'operació. 3- Concentració del nitrogen mitjançant columnes d'intercanvi catiònic (IC) i recuperació en contactors de membranes (HFMC). Inicialment es va seleccionar el material adsorbent a partir dels resultats de les proves de cinètiques d'adsorció. La zeolita natural, el material triat, es va caracteritzar i es va analitzar la influència dels interferents mitjançant isotermes d'adsorció. També es va analitzar quin regenerant oferia millors resultats. Després, es van realitzar diversos assajos en columnes d'adsorció per a estudiar la influència del cabal de treball i la concentració d'amoni en el influent i d'altra banda, el cabal de regeneració i la concentració de l'agent regenerant. Es va observar com mitjançant amb la conductivitat es pot determinar la duració de totes dues fases. Les dades experimentals, els resultats dels models matemàtics i un balanç econòmic van servir per a determinar les condicions d'operació. 4- Anàlisi econòmica i ambiental de les tres alternatives proposades, amb consideracions ambientals per a identificar les alternatives viables en la millora d'una EDAR existent o construcció d'una nova instal·lació. En tots dos escenaris el procés de UF va resultar ser el principal coll de botella per a facilitar la implantació d'alguna de les alternatives. Realitzant una projecció futura sobre com estarà aquesta tecnologia en un curt termini, es van estimar unes moderades millores tant en el seu cost, operació i rendiment. En aquesta projecció futura l'escenari 1, ND, no aconsegueix aconseguir uns re

[EN] Conventional wastewater treatment processes are energy-intensive and do not allow the recovery of the resources present in the water. On the way towards the transformation of Wastewater Treatment Plants (WWTP) into resource recovery plants, carbon redirection processes, such as ultrafiltration of wastewater (UF), play a crucial role. This technology sends all suspended and part of the soluble organic matter to anaerobic digestion. After filtration, the main water line presents a different characteristic from the traditional one, mainly a low ratio of organic matter per unit of nitrogen (COD/N) and absence of suspended solids. This doctoral thesis aims to study experimentally, and with mathematical models, different alternatives of treatment of the permeate from a real urban wastewater UF pilot plant to achieve an effluent that meets the discharge requirements. The proposed schemes allow to take advantage of existing WWTP infrastructures. The thesis is structured in four blocks: 1- Study of conventional nitrification-denitrification (ND) process. The results indicate that the filtration process retains a high concentration of organic matter and reduces the COD/N ratio below the necessary stoichiometric conditions, causing incomplete nitrogen removal. In order to maintain this treatment, it would be necessary to bypass part of the inlet water to the filtration process, to adjust the COD/N ratio to the necessary value, or to apply this alternative in those influents with a high concentration of soluble organic matter, since part of this fraction will not be retained. 2- Evaluation of the partial nitrification process (PN) followed by the Anammox process. Both biological stages do not require organic matter for nitrogen removal and their energy consumption is lower, as aeration needs are reduced. The PN process was studied experimentally in the main water line. By controlling the duration of the aerobic phase with a pH and oxygen-based controller, maintaining an oxygen concentration of 0.5 mg O2/L and sludge retention times of 3 to 10 days, N-NO2 accumulation in the reactor was achieved. The mathematical model confirmed the importance of these operational parameters. 3- Nitrogen concentration by cation exchange columns (CEC) and recovery in membrane contactors (HFMC). Initially, the adsorbent material was selected based on the results of the adsorption kinetics tests. Natural zeolite, the material chosen, was characterized and the influence of interferents was analyzed by means of adsorption isotherms. It was also analyzed which regenerant provided the best results. Finally, several tests were carried out on adsorption columns to study the influence of the working flow rate and the concentration of ammonium in the influent on the ammonium adsorption capacity and the volume of permeate treated before reaching the breakpoint. The effect of the regeneration flow rate and the concentration of the regeneration agent on the regeneration capacity and the concentration of the nitrogen-rich stream was also studied. It was observed that by conductivity monitoring it is possible to determine the duration of both phases. Experimental data, the results of mathematical models and an economic balance were used to determine the operating conditions.

4- Economic and environmental analysis of the three proposed alternatives to identify viable alternatives in the improvement of an existing WWTP or construction of a new facility. In both scenarios the UF process turned out to be the main bottleneck to facilitate the implementation of any of the alternatives. By making a future projection of how this technology will be in the short term, improvements in its acquisition cost, operating costs and performance were estimated. With this projection, alternative 1, ND, does not achieve appropriate economic returns. Alternative 2, PN + Anammox, shows a better economic balance than the current situation. Alternative 3, CEC + HFMC, as it does not take advanta