Eliminación de nutrientes de aguas residuales mediante control de sonda redox

Ramón Guardino Ferré* y Francisco Zorrilla Soriano**

OMS IBÉRICA SA

EGEVASA

Descriptores: Aireado, Anaerobio, Anóxico, Desfosfatación, Desnitrificación, EDAR, Nitrificación, PLC, Potencial redox

Introducción

Con la publicación de la Directiva de la Comunidad Europea 271/91 “sobre depuración de aguas residuales urbanas”, comenzó la necesidad de adecuar las concentraciones de nutrientes en los vertidos en los lugares sensibles a la eutrofización a una normativa europea muy estricta en el control del nitrógeno y fósforo.

Por lo general, los procesos de eliminación de nitrógeno han sido comúnmente controlados mediante el análisis en continuo de las concentraciones de nitrato o amonio en los tanques de aireación.

Esta tecnología se ha demostrado de un elevado coste de instalación y de mantenimiento, dada la complejidad de los equipos, con un requerimiento de mano de obra elevado para su buen funcionamiento. Estos puntos han hecho desaconsejable la utilización de esta tecnología en pequeñas y medianas instalaciones urbanas que no disponen de los suficientes recursos económicos ni humanos.

Los procesos de nitrificación-desnitrificación con desfosfatación biológica controlados mediante potencial redox, por su bajo coste de instalación y mínima necesidad de mano de obra, son los más adecuados para este tipo de poblaciones, atendiendo a las experiencias existentes.

El potencial redox

Una reacción de oxidación-reducción o “redox” consta de dos partes:

— Una reacción de oxidación, en donde una sustancia pierde o genera electrones.

— Una reacción de reducción, en donde una sustancia gana o consume electrones.

Ambas reacciones deben estar entrelazadas porque los electrones libres no pueden existir en solución.

El potencial redox es una forma de medir la energía química de oxidación-reducción mediante un electrodo, convirtiéndola en energía eléctrica. El potencial redox es positivo cuando se produce una oxidación y negativo cuando se produce una reducción.

Proceso biológico de eliminación de nitrógeno y fósforo

En el cuadro técnico de la página siguiente se explica en detalle el proceso biológico de eliminación de nitrógeno y fósforo. El proceso puede resumirse del siguiente modo:

En el agua residual influente a la depuradora llegan mayoritariamente formas reducidas de nitrógeno en forma de amonio, el más abundante, y nitrógeno orgánico. Ambos forman el denominado Nitrógeno Total Kjedhal (n.t.k.). La concentración de oxígeno disuelto es muy baja. El potencial redox es negativo.

Cuando se pone en marcha la aireación en el tanque biológico, las bacterias nitrificantes oxidan el amonio a nitratos. Este proceso es la nitrificación. El potencial redox aumenta a medida que va aumentando la concentración de compuestos oxidados.

Cuando el potencial redox comienza a crecer muy lentamente, indica que la concentración de amonio presente es baja respecto a la de nitratos, por lo que se reduce la velocidad de nitrificación.

En ese momento se detiene la aireación. Los microorganismos consumen el oxígeno disuelto y reducen los nitratos a nitrógeno gas para aprovechar este oxígeno. Este proceso es la desnitrificación. Con la desnitrificación vuelve a aumentar la concentración de formas reducidas, por lo que vuelve a disminuir el potencial redox.

Cuando las condiciones en el tanque de aireación pasan de anóxicas a anaerobias, con un descenso brusco del potencial redox, algunas especies de bacterias emiten fósforo al medio. Estas mismas bacterias, cuando se inicie un nuevo período de aireación adsorberán más fósforo que el emitido en la fase anterior con un balance de eliminación entre el 40 y el 60%

Control del proceso mediante sonda redox

Los elementos que componen el equipo de control del proceso biológico de eliminación de nutrientes mediante control del potencial redox son: sonda de oxígeno, sonda de potencial redox, programador lógico controlado (plc) y un registrador gráfico.

En un primer momento (Fig. 1, punto “a”) el nitrógeno en sus formas reducidas (principalmente en forma amoniacal) que llega a la planta produce un potencial redox negativo. Como el oxígeno disuelto es cero, se pone en marcha la aireación.

Con oxígeno disuelto en el medio, mantenido entre 2 y 4 mg/l, y las condiciones adecuadas, las bacterias nitrificantes comienzan la oxidación del amoniaco transformándolo en nitratos. Al aumentar rápidamente la concentración de formas oxidadas y disminuir la de reducidas, el potencial redox se vuelve positivo en la fase “a-b”.

En la fase “b-c” la aireación está aún en marcha pero la producción de nitratos es mucho más lenta porque existe ya poco amoniaco acumulado. El potencial redox aumenta más lentamente. Cuando se estabiliza, se detiene la aireación.

A partir del punto “c”, con la aireación detenida, comienza la reducción de los nitratos a nitrógeno gaseoso. Es el proceso de desnitrificación.

Durante la desnitrificación, disminuye el potencial redox, la concentración de oxígeno y la concentración de nitratos.

En las proximidades del punto “d”, esta disminución del potencial redox es más lenta porque existe una baja concentración de nitratos acumulada. El oxígeno disuelto en esta fase es 0 mg/l.

En el punto “d” se produce una inflexión en la curva de redox. Es el punto denominado “punto de concentración cero de nitratos”. Este punto indica el final de la desnitrificación y el paso de condiciones anóxicas a anaerobias, con lo que al acumularse gran número de compuestos reducidos, el potencial redox disminuye de nuevo rápidamente.

Las condiciones anaerobias se mantienen durante un período comprendido entre 10 y 30 minutos, entre el punto “d” y “e” para producir el “stress” necesario para la desfosfatación biológica.

Tras este período de tiempo, se pone en marcha nuevamente la aireación, con lo que se inicia la nitrificación y un nuevo ciclo.

Para establecer estos ciclos, se deben fijar experimentalmente durante el período de puesta en marcha de la estación depuradora los valores de potencial redox, pues estos varían de una instalación a otra.

Los niveles de oxígeno durante los períodos de aireación se fijan entre 2 y 4 mg/l, y la alternancia de períodos aireados-no aireados obliga a suministrar todo el oxígeno necesario de un día para el proceso en sólo 14-16 horas.

En los ciclos en los que no se detecta el punto “d”, la existencia de una zona valle previa con potencial redox negativo garantiza vertidos con concentraciones de nitratos por debajo de los 5 mg/l, aunque la eliminación de fosfatos no será tan eficiente.

El software de control presenta tres niveles de seguridad ante vertidos accidentales en la e.d.a.r. que puedan alterar el proceso biológico, en el siguiente orden de preferencia:

— Nivel positivo y negativo de potencial redox.

— Concentración de oxígeno disuelto.

— Temporización de cada ciclo.

En estos casos, el funcionamiento del plc pasa a ser el programado para un proceso convencional de aireación prolongada.

La E.D.A.R. de Quesa (Valencia)

En 1993 se ejecutaron las obras de la estación depuradora de aguas residuales del municipio de Quesa¹ (Valencia), poniéndose en funcionamiento la planta a principios de 1994.

Esta estación depuradora, diseñada para tratar un caudal de 360 m³/d, realiza su vertido en el río Escalona, que desemboca en el pantano del mismo nombre. La necesidad de prevenir la eutrofización de este embalse, aconsejó la eliminación de nutrientes en esta instalación.

La e.d.a.r. de Quesa es una instalación con tecnología de fangos activados en aireación prolongada con aireación diagonal mediante acelerador de flujo sumergido y parrillas extraíbles de difusores de neopreno,² con eliminación biológica de nitrógeno y fósforo mediante proceso Redox, y afino del vertido de fósforo con adición de sales de hierro en la recirculación.

La figura 5 muestra el registro gráfico obtenido en la planta de Quesa entre las 20:30 h del día 28 y las 03:30 h del 29 de abril de 1994, donde se comprueban en la práctica las características del proceso mencionadas en los puntos anteriores. La gráfica se lee de derecha a izquierda porque de este modo sale del registrador gráfico. El trazo discontinuo corresponde a caudales, el continuo fino a oxígeno disuelto y el grueso a potencial redox.

La explotación y control analítico de la planta desde su puesta en marcha³ha demostrado, con resultados que se muestran en la tabla 1 y se representan en la figura 6, la fiabilidad del proceso, especialmente destacable teniendo en cuenta la simplicidad del mantenimiento y la poca mano de obra requerida en la explotación.

Fig. 6. Representación de resultados analíticos de la E.D.A.R. de Quesa

Conclusiones

Los procesos de eliminación de nutrientes controlados mediante sonda Redox se demuestran especialmente eficaces en el tratamiento de aguas residuales urbanas de medianos y pequeños municipios que cuentan con un vertido en el que el componente urbano es mayoritario.

En primer lugar, los costes de instalación y de funcionamiento de los equipos del proceso son sensiblemente más bajos que los del resto de tecnologías disponibles.

Por otro lado, el proceso de depuración, tras la puesta a punto, tiene pocas necesidades de mano de obra y, lo que es muy importante en este tipo de instalación, no necesariamente especializada.

En la actualidad, se ha diseñado con esta tecnología la depuradora de aguas residuales de Roda de Ter (Girona), una instalación para el Centro Experimental de la Junta de Andalucía en Carrión de los Céspedes (Sevilla) y diseñado y ejecutado la del municipio de Besalú (Girona). 

Notas

1. OMS Ibérica, s.a. asesoró técnicamente y llevó a cabo la ejecución de esta edar para la Empresa General Valenciana del Agua s.a. (egevasa)

2. Tecnología conocida como “Aireación diagonal oms”.

3. Realizado por egevasa.