¿Por qué es tan difícil ampliar el proceso de oxidación anaeróbica de amonio (Ammox), una tecnología de desnitrificación biológica, en las plantas de tratamiento de aguas residuales?

Prefacio:
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Volvamos al tema. Este artículo trata sobre el "proceso de desnitrificación biológica por oxidación anaeróbica de amonio (AMMOX)". Este proceso de desnitrificación biológica ha estado en uso práctico en plantas de tratamiento de aguas residuales desde 2002, pero su tasa de adopción es extremadamente baja y es raro encontrar algunas plantas de tratamiento de aguas residuales que lo utilicen en China. Su principio demuestra que, en comparación con los procesos tradicionales de nitrificación y desnitrificación, ofrece dos ventajas significativas: bajo consumo de energía (sin necesidad de aireación extensa) y sin necesidad de una fuente de carbono (microorganismos autótrofos). El uso de este proceso puede reducir significativamente los costos operativos de desnitrificación.

Definición: La tecnología de oxidación anaeróbica de amonio (Anammox) ha sido aclamada como un avance revolucionario en el tratamiento biológico de aguas residuales a principios del siglo XXI. Utiliza un tipo especial de bacterias autótrofas, bacterias anaeróbicas oxidantes de amonio, para convertir directamente el nitrógeno amoniacal (NH₄⁺) y el nitrito (NO₂⁻) en gas nitrógeno (N₂) en condiciones anaeróbicas o con oxígeno-limitado, logrando una eliminación eficiente del nitrógeno. Este proceso revoluciona el proceso tradicional de nitrificación-desnitrificación, que requiere grandes cantidades de oxígeno y una fuente de carbono orgánico.

Principio fundamental:

Reacción química central: NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2H₂O. Las bacterias anaeróbicas oxidantes de amonio "conectan" directamente el amoníaco y el nitrito para producir gas nitrógeno inofensivo, eliminando la necesidad de oxidar completamente el nitrógeno amoniacal a nitrato y luego reducirlo.

Fijación de carbono celular: esta comunidad bacteriana utiliza carbono inorgánico (como CO₂/HCO₃⁻) como fuente de carbono, creciendo a través de un proceso quimioautótrofo, lo que reduce significativamente el consumo de fuentes de carbono orgánico.

Ahorros significativos de energía: en comparación con los procesos tradicionales, este proceso teóricamente reduce el consumo de energía de aireación en aproximadamente un 60 % (sin necesidad de nitrificación completa), reduce las fuentes de carbono orgánico en un 100 % (sin necesidad de desnitrificación) y reduce el exceso de producción de lodos hasta en un 90 %.

Condiciones de control de reacción:

Suministro preciso de nitrito: parte del nitrógeno amoniacal debe oxidarse con precisión a nitrito (nitrificación a corto plazo) mientras se mantiene una concentración estable de NO₂⁻ (normalmente<30 mg/L). Excessively high concentrations inhibit bacterial activity, while excessively low concentrations result in insufficient reaction.

Control preciso del oxígeno disuelto (OD): se debe crear un microambiente anóxico/anaeróbico localizado (OD < 0,5 mg/L) dentro del reactor para proporcionar un entorno de vida para las bacterias anammox y al mismo tiempo garantizar el suministro de NO₂⁻ para la supervivencia de las bacterias oxidantes de amoníaco-.

Requisitos de temperatura: La temperatura óptima es de 30 a 40 grados. Bajas temperaturas (<15°C) significantly reduce bacterial activity, increasing operational difficulties.

Requisitos de calidad del agua: Sensible a sustancias tóxicas (como metales pesados, materia orgánica y sulfuros), se requiere bajo contenido de sólidos en suspensión (SS).

Dificultad de implementación del proceso:

Arranque extremadamente lento: las bacterias Anammox tienen un tiempo de generación largo (10 a 14 días) y un tiempo de duplicación lento (aproximadamente 11 días), y el arranque del reactor normalmente demora de 3 a 12 meses o incluso más.

Retención difícil de lodos: se requieren diseños de reactores especializados (como lodos granulares y sistemas de biopelículas) para retener eficazmente las bacterias Anammox de lento crecimiento-.

Acoplamiento de procesos complejos: la implementación estable de-nitrificación de corto alcance (para producir NO₂⁻) y el acoplamiento eficiente con la reacción de Anammox (como un proceso de una sola-etapa o de dos-etapas) son desafíos clave de control de ingeniería.

Débil resistencia a la carga de impacto: el sistema tiene poca tolerancia a las fluctuaciones en la calidad, el volumen y la temperatura del afluente, lo que dificulta el mantenimiento de la estabilidad operativa.

Planta de tratamiento de aguas residuales de Dokhaven en Rotterdam, Países Bajos (primera aplicación-a escala completa - 2002) en el mundo: utiliza el proceso SHARON® (nitrificación-abreviada) + Anammox® para tratar el digestato de lodos. El funcionamiento exitoso durante muchos años representa un hito en la ingeniería tecnológica.

Planta de tratamiento de aguas residuales de Strass en Austria: una de las plantas de tratamiento de aguas residuales más energéticamente-independientes del mundo. Su proceso secundario DEMON® (basado en Anammox) para el tratamiento de digestato reduce significativamente el consumo de energía, lo que ayuda a la planta a lograr una autosuficiencia energética de más del 100 %.

Planta de recuperación de agua de Changi en Singapur: aplicación a gran-escala de la tecnología Anammox (proceso DEMON) en su tratamiento secundario de digestato de lodos, lo que mejora la eficiencia y la sostenibilidad del tratamiento.

Planta de agua recuperada de Gaobeidian en Beijing, China: una de las primeras-plantas de tratamiento de aguas residuales a gran escala en China en introducir y operar con éxito la tecnología secundaria Anammox (proceso DEMON) para el tratamiento de digestato de lodos.

Planta de tratamiento de aguas residuales de Huaifang en Beijing, China: el proceso Anammox basado en MBBR-se utiliza para tratar el digestato de lodos después de la hidrólisis térmica.

A pesar de sus importantes ventajas, la oxidación anaeróbica de amonio (ANAMMOX) sigue siendo una aplicación de bajo volumen-, especialmente en el tratamiento convencional de aguas residuales municipales. Las principales razones son las siguientes:

1. Altas barreras técnicas y control complejo: la oxidación anaeróbica de amonio es sensible a las fluctuaciones de la calidad del agua y requiere una precisión de control extremadamente alta para parámetros como el oxígeno disuelto, la concentración de nitrito y la temperatura, superando con creces los procesos tradicionales. La operación y el mantenimiento requieren técnicos altamente calificados.

2. Inicio lento y alta inversión: el largo período de inicio (varios meses o incluso más de un año) aumenta los costos y riesgos iniciales del proyecto. Los reactores especializados (como los mantos de lodos granulares y los MBBR) necesarios para el enriquecimiento bacteriano y la retención de lodos requieren una alta inversión inicial.

3. Falta de experiencia operativa y de diseño: en comparación con el proceso de lodos activados de un siglo de antigüedad, la tecnología ANAMMOX solo ha estado en la práctica de ingeniería durante aproximadamente 20 años, y las especificaciones de diseño, los manuales operativos y la experiencia en resolución de problemas son mucho menos maduros.

4. Dificultad para controlar las condiciones ambientales microbianas: Las aguas residuales municipales, caracterizadas por bajas temperaturas (especialmente en invierno), bajas concentraciones de nitrógeno amoniacal, composición compleja del agua (DQO, SS, inhibidores) y grandes fluctuaciones en el volumen de agua, difieren significativamente de las condiciones óptimas de crecimiento para las bacterias Anammox, lo que dificulta el funcionamiento estable.

5. Dependencia y confianza en los procesos de desnitrificación tradicionales: Los procesos tradicionales de nitrificación y desnitrificación son maduros y confiables, fáciles de operar y altamente resistentes a cargas de choque. Están respaldados por una amplia experiencia en diseño y operación y numerosos estudios de casos exitosos, lo que crea una sólida base de soporte. Después de todo, pocos considerarían abandonar los procesos establecidos por otros nuevos y los importantes riesgos de inversión que implican.