Desarrollo de una Nueva Tecnología de Eliminación de Nitrógeno basada en Procesos de Nitrificación Parcial- Anammox mediante Biofiltración en Lecho Fijo

Abstract

En la actualidad, los métodos más usuales de tratamiento de aguas residuales ricas en Nitrógeno, en estaciones depuradoras de aguas residuales, son los métodos de nitrificación-desnitrificación biológica. Este proceso implica elevados costes de explotación que podrían verse reducidos con el uso de nuevas biotecnologías. Así, en los últimos años se han propuesto diferentes procesos de eliminación autotrófica del Nitrógeno en aguas residuales. Estas tecnologías se basan en una nitrificación parcial de amonio a nitrito junto con una oxidación anaeróbica de amonio. La combinación de ambos procesos biológicos da lugar a un sistema en el que el amonio es oxidado directamente a Nitrógeno molecular, sin pasar por la forma intermedia del nitrato, y sin necesidad de fuente aporte externo de Carbono orgánico. En este contexto, en la presente tesis doctoral se ha evaluado una novedosa tecnología basada en procesos Anammox (del inglés Anaerobic Ammonium Oxidation), denominada Canon (del inglés Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) que se caracteriza por llevarse a cabo en un único reactor y bajo condiciones microaerofílicas, lo cual la convierte en una solución más rentable y respetuosa con el medio ambiente. El proceso se ha desarrollado en biorreactores con la configuración de biofiltro en lecho fijo, utilizando como soporte el material comercializado bajo la marca Filtralite. Actualmente no existe ninguna tecnología de este tipo disponible en el mercado, lo que ha conducido a su patentado por parte del equipo de trabajo de esta investigación. A lo largo de la investigación se ha estudiado la estructura de la comunidad bacteriana, así como las eficiencias de eliminación de nitrógeno en diferentes biorreactores a escala de laboratorio, trabajando bajo diferentes condiciones en distintos experimentos. Durante los trabajos realizados se ha llegado a optimizar el arranque y la estabilidad de la biomasa en los biorreactores. Hay que tener presente que el proceso de arranque de estos sistemas es lento debido a la baja tasa de reproducción de las bacterias Anammox. Dado que las poblaciones microbianas involucradas en estos procesos de eliminación de nitrógeno son microorganismos muy sensibles ante cualquier cambio en sus condiciones operacionales y/o ambientales, en la presente tesis se ha investigado la respuesta de esta tecnología bajo condiciones estresantes para estos microorganismos. En este sentido, se han estudiado dos casos que afectan notablemente a las poblaciones autotróficas de eliminación de nitrógeno, como son la presencia de materia orgánica en el influente y el tratamiento de un influente salino. En ambos casos, los resultados han mostrado eficiencias muy satisfactorias gracias al desarrollo de un consorcio entre diferentes metabolismos microbianos debido a la coexistencia de diferentes poblaciones bacterianas como AOB, Anammox y Desnitrificantes heterótrofas. Con todo ello se ha aumentado el conocimiento de respuesta de la comunidad microbiana y el consecuente funcionamiento de este proceso biotecnológico bajo diferentes condiciones operacionales. En definitiva, los resultados de esta investigación pueden ser importantes para la implantación a escala real de esta tecnología de biofiltración de lecho fijo combinado con sistema Canon.

Currently, the most common methods of treating wastewater rich in nitrogen in wastewater treatment plants are biological methods based on nitrification-denitrification process. These methods involve high operating costs that could be reduced with the use of new biotechnologies. In recent years several processes based on autotrophic nitrogen removal have been proposed in wastewater treatment. These technologies are based on a partial nitrification of ammonium nitrite and an anaerobic ammonium oxidation. The combination of both biological processes result in a system in which ammonia is oxidized to molecular nitrogen directly without going through the intermediate form of the nitrate, and an external source of organic carbon is not needed. In this context, a novel technology based on Anammox processes (Anaerobic Ammonium Oxidation), called Canon (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) has been evaluated. Canon process is characterized by being carried out in a single reactor and under microaerophilic conditions which makes it a more cost effective and a friendly solution with environment. The process has been developed under the configuration of a fixed bed biofilter using Filtralite as support material. This technology does not currently exist in the market. So it has led to the patent by the research team of this investigation. Throughout the investigation, we have studied the structure of the bacterial community as well as removal efficiencies of nitrogen in various laboratory scale bioreactors working under different conditions in various experiments. Along the work developed startup and stability of biomass in bioreactors has been optimized. It must be kept in mind that the boot process of these systems is slow due to the low reproductive rate of the specific bacteria of these systems. Because microbial populations involved in these nitrogen removal systems are very sensitive to any change in operating and / or environmental conditions, in this thesis the response of this technology under stressful conditions for these organisms has been investigated. So, two cases that significantly affect autotrophic nitrogen removal populations have been studied, such as the presence of organic matter in the influent and the treatment of saline influent. In both cases, the efficiency results have been very satisfactory. The development of a microbial consortium with different metabolisms due to the coexistence of different bacterial populations as AOB, Anammox and Denitrifying heterotrophic has been observed. This has increased awareness of the microbial community response and subsequent operation of this bioprocess under different operating conditions. Ultimately, the results of this research may be important to implement full-scale Canon system plants using fixed-bed biofiltration technology.