Conceptualització i posada en marxa d'un bioreactor anaerobi per eliminar nitrogen

Abstract

The biological removal of ammoniacal nitrogen (N) from wastewater has been carried out, usually, through combined nitrification-denitrification processes. With the discovery of the biological process of anaerobic oxidation of ammonium (anammox), new expectations have been opened to develop more sustainable and economical treatment strategies. To carry out this process, it is necessary to combine it with a previous stage of partial nitritation (NP). The combined process of NP-anammox, completely autotrophic, can be implemented in a single reactor with limited aeration, or in two reactors connected in series. The present Bachelor's Degree Project (TFG) is part of the research project "Process integration for syntrophic acetate and autotrophic ammonia oxidations in the anaerobic treatment of nitrogen-rich organic wastes for energy recovery (PIONER)", currently in execution in Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (IRTA) located in Torre Marimon (Caldes de Montbui, Barcelona). The general objective of this TFG is to propose the configuration of the biological treatment system for the removal of N from a digested product with a high nitrogenous content based on the combined process NP-anammox, at lab-scale. The system will treat the supernatant of an anaerobic digester fed with slurry and sludge from a sewage treatment plant. The first step has been to perform a bibliographic research on the subject. After analyzing the information collected, a system consisting of a single sequential batch reactor (SBR) has been proposed. The enriched anammox granular biomass, necessary to operate the system, is expected to be ceded later by an already running industrial facility. In this sense, a second system for the maintenance of the anammox biomass inoculum that is not directly used for experiments has also been proposed in this TFG. In this case, a gas-lift type reactor has been chosen. Finally, within the initial phase of the PIONER project, a perfectly mixed anaerobic digester has been started up to enrich syntrophic acetate oxidizing (SAO) bacteria with a synthetic feed. After a period of adaptation, it was possible to produce methane with average values of 0.19 ± 0.10 Nm3 CH4/m3·d, which represented between 60-65% of the biogas produced. The degradation of organic matter fed was equivalent to approximately 63%.

L'eliminació biològica del nitrogen (N) amoniacal de les aigües residuals s'ha dut a terme, habitualment, a traves de procés combinat de nitrificació-desnitrificació. Amb el descobriment del procés biològic d'oxidació anaeròbia de l'amoni (anaerobic ammonium oxidation, anammox) s'han obert noves expectatives per desenvolupar estratègies de tractament més sostenibles i econòmiques. Per tal de portar a terme aquest procés, cal combinar-lo amb una etapa prèvia de nitritació parcial (NP). El procés combinat NP-anammox, completament autotròfic, pot tenir lloc en un únic reactor amb aeració limitada, o bé, en dos reactors connectats en sèrie. El present Treball Final de Grau (TFG) s'emmarca dins del projecte de recerca "Process integration for syntrophic acetate and autotrophic ammonia oxidations in the anaerobic treatment of nitrogen-rich organic wastes for energy recovery (PIONER)", actualment en execució a l'Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (IRTA) situat a Torre Marimon (Caldes de Montbui, Barcelona). L'objectiu general del TFG és proposar la configuració d'un sistema de tractament biològic per a l'eliminació de N d'un digestat amb un elevat contingut nitrogenat en base al procés combinat NP-anammox, a escala laboratori. El sistema tractarà el sobrenedant d'un digestor anaerobi alimentat amb purins i fangs d'estació depuradora d'aigües residuals. El primer pas ha estat realitzar una recerca bibliogràfica sobre la temàtica. Després d'analitzar la informació recopilada, s'ha proposat un sistema format per un únic bioreactor de tipus discontinu seqüencial (SBR). La biomassa granular anammox enriquida, necessària per operar el sistema, es preveu que serà cedida més endavant per una instal·lació industrial ja operativa. En aquest sentit, també s'ha proposat en el marc del TFG un segon sistema per al manteniment de l'inòcul de biomassa anammox que no es destini directament a fer experiments. En aquest cas, s'ha escollit un reactor tipus gas-lift. Finalment, dins la fase inicial del projecte PIONER, s'ha posat en marxa un digestor anaerobi de tipus mescla completa per a enriquir bacteris sintròfics oxidants de l'acetat (SAO) utilitzant un aliment sintètic. Després d'un període d'adaptació, s'ha aconseguit una producció de metà mitjana de 0,19 ± 0,10 Nm3 CH4/m3·d, que representava entre un 60-65% del biogàs produït. La degradació de la matèria orgànica alimentada va ser equivalent a un 63%, aproximadament.

La eliminación biológica del nitrógeno (N) amoniacal de las aguas residuales se ha llevado a cabo, habitualmente, a través de procesos combinados de nitrificación-desnitrificación. Con el descubrimiento del proceso biológico de oxidación anaeróbica del amonio (anaerobic ammonium oxidation, anammox) se ha logrado abrir nuevas expectativas para desarrollar estrategias de tratamiento más sostenibles y económicas. Para llevar a cabo este proceso, hace falta combinarlo con una etapa previa de nitritación parcial (NP). El proceso combinado de NP-anammox, completamente autotrófico, puede tener lugar en un único reactor con aeración limitada, o bien, en dos reactores conectados en serie. El presente Trabajo de Final de Grado (TFG) se enmarca dentro del proyecto de investigación "Process integration for syntrophic acetate and autotrophic ammonia oxidations in the anaerobic treatment of nitrogen-rich organic wastes for energy recovery (PIONER)", actualmente en ejecución en el Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (IRTA) localizado en Torre Marimon (Caldes de Montbui, Barcelona). El objetivo general del TFG es proponer la configuración del sistema del tratamiento biológico para la eliminación del N de un digerido con un elevado contenido nitrogenado en base al proceso combinado de NP-anammox, a escala laboratorio. El sistema tratara el sobrenadante de un digestor anaeróbico alimentado con purines y fangos de una estación depuradora de aguas residuales. El primer paso ha sido realizar una búsqueda bibliográfica sobre la temática. Después de analizar la información recopilada, se ha propuesto un sistema formado por un único reactor de tipo discontinuo secuencial (SBR). La biomasa granular anammox enriquecida, necesaria para operar el sistema, se prevé que será cedida más adelante por una instalación industrial ya operativa. En este sentido, también se ha propuesto en el marco del TFG un segundo sistema para el mantenimiento del inóculo de biomasa anammox que no se destine directamente a hacer experimentos. En este caso, se ha escogido un reactor tipo gas-lift. Finalmente, dentro de la fase inicial del proyecto PIONER, se ha puesto en marcha un digestor anaerobio de tipo mezcla completa para enriquecer bacterias sintróficas oxidantes del acetato (SAO) utilizando un alimento sintético. Después de un periodo de adaptación, se ha conseguido una producción de metano media de 0,19 ± 0,10 Nm3 CH4/m3·d, que representaba entre un 60-65% del biogás producido. La degradación de la materia orgánica alimentada fue equivalente a un 63%, aproximadamente.