Autotrophic biological nitrogen removal in a two-stage system at mainstream conditions

Actualmente las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) urbanas estan ampliamente implantadas en los paises industrializados, puesto que es necesario realizar un tratamiento de las aguas residuales antes de verterlas al medioambiente. En los sistemas de tratamiento convencionales, los compuestos nitrogenados se eliminan mediante un tratamiento biologico de nitrificacion autotrofica y desnitrificacion heterotrofica, que garantiza una buena calidad del efluente. En estos tratamientos se necesita gran cantidad de aireacion para la nitrificacion y la mayoria de la materia organica del agua residual se destina a la desnitrificacion en lugar de a la produccion de biogas. Por tanto, las EDAR urbanas presentan un gran consumo energetico y el principal reto en la actualidad es conseguir una depuradora urbana autosuficiente energeticamente. Una alternativa para conseguirlo es la implementacion de la eliminacion biologica autotrofica de nitrogeno (BNR) en la linea principal de aguas. El tratamiento consistiria en una primera etapa (A-Stage) en la cual se eliminaria toda la materia organica destinandola a la produccion de biogas, y una segunda etapa (B-Stage) en la que se eliminaria el nitrogeno mediante el proceso BNR. El proceso BNR es un proceso en dos etapas. Primero, la mitad del amonio presente en el agua residual se oxida a nitrito mediante el proceso de nitritacion parcial (PN), y a continuacion el amonio restante y el nitrito generado se convierten en N2 mediante el proceso anammox, sin necesidad de oxigeno ni materia organica. El proceso BNR se ha aplicado al tratamiento de aguas con altas cargas de nitrogeno y temperaturas calidas, pero nunca se ha implementado en el tratamiento de aguas residuales urbanas (bajas cargas y temperaturas). Recientemente, la investigacion se ha centrado en el desarrollo del proceso BNR en un unico reactor. Sin embargo, muchos de los estudios publicados mostraron el fallo del proceso PN en la operacion a largo plazo al tratar agua urbana, e incluso aquellos sistemas con una operacion estable alcanzaron bajas velocidades de eliminacion de nitrogeno. En esta tesis se propuso la utilizacion de un sistema en dos etapas como alternativa para una mejor implementacion del proceso BNR en la linea principal de aguas de una EDAR urbana. Asi, el principal objetivo fue demostrar la estabilidad de los dos procesos implicados, PN y anammox, en dos reactores independientes tratando un agua residual urbana. En primer lugar se opero en continuo un reactor airlift con biomasa granular tratando un influente sintetico que simulaba el efluente de la etapa A-Stage. Se trabajo a bajas temperaturas (hasta los 10 °C) y no solo se consiguio una operacion estable a largo plazo sino que se obtuvieron altas velocidades de nitrificacion y un efluente adecuado para un reactor anammox contiguo. Ademas, se determinaron las emisiones de N2O producidas en el reactor y se realizo un estudio del efecto de la temperatura sobre estas. En segundo lugar se opero en continuo un reactor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) realizando el proceso anammox a largo plazo. Por una parte, se presento el reactor UASB como una buena alternativa para realizar el proceso anammox en la linea principal de aguas de la depuradora. Ademas se realizo un estudio exhaustivo del efecto de la velocidad ascensional en el reactor y del efecto de la baja temperatura en la actividad anammox. Por otra parte, el reactor UASB anammox no solo mostro una operacion estable a largo plazo tratando un agua residual urbana real, sino que tambien se alcanzaron altas velocidades de eliminacion de nitrogeno a una temperatura de 11 °C. Conjuntamente, se realizo un estudio detallado de la biomasa desarrollada en ambos reactores desde los puntos de vista microbiologico, cinetico y fisico-quimico, con el objetivo de relacionar estas caracteristicas con la operacion.