Reequipamiento de MBBR-AAO vs. Bardenpho: Rendimiento y comparación de la eliminación de TN

Comparación del rendimiento de la modernización de AAO basado en MBBR vs. Bardenpho

 

ELvisión general

Con la mejora continua de las políticas ambientales hídricas por parte de los gobiernos de todo el mundo y el fortalecimiento de las medidas de control de la contaminación, también se están elevando los estándares de vertido de aguas residuales. Para alcanzar estándares de emisiones elevados, la clave reside en cumplir los objetivos de nitrógeno amoniaco y nitrógeno total (NT), lo que requiere la reducción o ampliación de la capacidad o la mejora in situ de las unidades de tratamiento biológico secundario. Dado que la mayoría de las aguas residuales... Plantas de tratamiento Las plantas de tratamiento de aguas residuales tienen un espacio limitado para su expansión, por lo que las tecnologías de mejora in situ para el tratamiento biológico se han convertido en una de las soluciones más efectivas.

 

Actualmente, la mayoría de las EDAR emplean procesos de lodos activados, incluyendo el AAO (Anaerobio-Anóxico-Óxico) y sus variantes, las zanjas de oxidación, el SBR (Reactor Secuencial por Lotes) y sus derivados. Sin embargo, estos procesos tienen dificultades para cumplir con los altos estándares de emisiones de forma consistente y estable, lo que requiere la integración con otras tecnologías para cumplir con las regulaciones cada vez más estrictas. Cama móvil Reactor de biopelícula (MBBR)es una de las soluciones más adecuadas.

 

La esencia de la tecnología MBBR reside en la incorporación de portadores suspendidos a la unidad de tratamiento biológico, donde se forma una biopelícula adherida a estos portadores para mejorar la eliminación de contaminantes. Este enfoque de modernización sigue una filosofía integrada, preservando la configuración original del proceso. Desde la exitosa implementación del primer proyecto MBBR a gran escala en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Wuxi Lucun, esta tecnología se ha convertido en una de las soluciones más comunes para la modernización de plantas.

 

La principal ventaja del MBBR reside en su capacidad para albergar eficientemente bacterias nitrificantes, lo que lo hace altamente efectivo para la eliminación de nitrógeno amoniacal, ya sea para estándares de Grado 1A o incluso más estrictos. Para la eliminación de nitrógeno total (NT), el MBBR aprovecha su capacidad mejorada de nitrificación para reducir el volumen de la zona aeróbica, expandir la zona anóxica y prolongar el tiempo de retención hidráulica (TRH) en dicha zona, mejorando así la desnitrificación.

En procesos convencionales como AAOLa eliminación de TN depende completamente de la recirculación. Los estándares de efluentes más estrictos exigen mayores tasas de eliminación, lo que resulta en mayores tasas de recirculación y, en consecuencia, un mayor consumo de energía y productos químicos. Si bien el AAO puede cumplir con los estándares de Grado 1A, resulta inadecuado para límites de TN más estrictos. BardenphoEl proceso, un sistema de cinco etapas, supera la limitación de la recirculación añadiendo una zona de posdesnitrificación después del proceso AAO, lo que mejora significativamente la eliminación de nitrógeno. A medida que se endurecen las normas de descarga de TN, Bardenpho ha demostrado ventajas notables.

 

El Bardenpho tradicional, basado en lodos activados, presenta largas cadenas de proceso y un gran impacto ambiental. Debido a los requisitos de efluentes menos estrictos en el pasado, su aplicación era limitada. Sin embargo, la introducción de la tecnología MBBR permite ahora la implementación in situ de procesos Bardenpho basados ​​en MBBR en unidades de tratamiento biológico.

 

La actualización con tecnología MBBR permite la creación de un proceso AAO agregando una zona preanóxica, o un proceso Bardenpho incorporando una zona postanóxica.

 

Este estudio examina una planta de tratamiento de aguas residuales en el norte de China, donde se implementaron los procesos AAO mejorados con MBBR y Bardenpho (MBBR-AAO y MBBR-Bardenpho, respectivamente) para actualizaciones graduales. Se realiza un análisis comparativo de su rendimiento operativo para obtener información para futuras modernizaciones de la planta.

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Antecedentes del proyecto

La primera fase de esta planta de tratamiento de aguas residuales se construyó y puso en funcionamiento en 1997 con una capacidad de tratamiento de 80.000 m³/día. Utilizó el proceso VIP (Planta Inicial de Virginia) y cumplió con las normas de vertido secundario de la "Norma Integrada de Descarga de Aguas Residuales" (GB 8978-1996). Si bien la calidad real del efluente cumplía, en general, con las normas de Grado 1B de la GB 18918-2002, excepto para TN y TP, la concentración de NH₄⁺-N superó ocasionalmente las normas secundarias de la GB 8978-1996 durante el funcionamiento invernal (2-3 meses), cuando la temperatura del afluente descendía por debajo de los 13 °C.

 

En 2010, la planta se modernizó para cumplir con las normas de Grado 1A de GB 18918-2002 para nitrógeno amoniacal y materia orgánica. El tratamiento biológico convencional requeriría ampliar el volumen de los tanques, pero no había terrenos disponibles en los alrededores de la planta, y el limitado espacio in situ no permitía dicha expansión. Por lo tanto, la modernización se centró en aumentar la capacidad de tratamiento de los tanques biológicos existentes. Tras evaluar diversas opciones, se optó finalmente por el proceso MBBR. La modernización incluyó:

 

• Aumento del volumen de la zona preanóxica
• Reducir el volumen de la zona aeróbica
• Adición de portadores suspendidos en zonas aeróbicas parciales para crear zonas MBBR para una mejor eliminación de contaminantes

 

El flujo del proceso específico se muestra en Figura 1(a) y (b).

En 2015, se implementaron mejoras adicionales para:

 

1. Lograr un cumplimiento integral con los estándares de Grado 1A y, al mismo tiempo, mantener el potencial para cumplir con los estándares de aguas superficiales de Clase IV
2. Aumentar la capacidad de tratamiento en un 19% (de 80.000 a 95.000 m³/d) debido al rápido desarrollo económico regional

 

Los desafíos clave incluyeron:

 

1. Requisitos estrictos de efluentes que exigen un rendimiento de tratamiento superior, especialmente en sistemas biológicos
2. Ampliación de capacidad sin terreno disponible para construcción
3. La eliminación de TN requiere una eficiencia superior al 82 %: los enfoques convencionales necesitarían una relación de recirculación del 500 %, lo que causaría un alto consumo de energía y desperdicio de fuentes de carbono en zonas anóxicas debido al arrastre excesivo de DO.

 

• Tras la evaluación técnica, se adoptó el proceso MBBR-Bardenpho. Las modificaciones incluyeron:
• Convertir parte de la zona aeróbica en zonas post-anóxicas y post-aeróbicas para garantizar el cumplimiento del TN
• Reduciendo aún más el volumen aeróbico mientras se expanden las zonas de transporte suspendidas
• Agregar portadores con mayor área de superficie específica efectiva para mejorar la eliminación de amoníaco

 

El plan de modernización se ilustra en Figura 1(b) y (c).

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Análisis de rendimiento

Los procesos AAO y Bardenpho mejorados con MBBR se implementaron en actualizaciones secuenciales en la misma planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR), con análisis de datos operativos de un año para cada proceso. Dado que la mayoría de los contaminantes convencionales (excepto SS y TP) se eliminan principalmente en tanques biológicos, este estudio se centró en la eficiencia de eliminación de DQO, NH₄⁺-N y TN.

 

① Rendimiento de eliminación de DQO

La Figura 2 muestra la eliminación de DQO en ambos procesos. Observaciones clave:

 

• COD influyente:

MBBR-AAO: 821,1 ± 244,9 mg/L

MBBR-Bardenpho: 814,8 ± 414,4 mg/L

• DQO de efluentes:

MBBR-AAO: 25,1 ± 6,1 mg/L

MBBR-Bardenpho: 21,1 ± 5,7 mg/L

 

Ambos cumplieron consistentemente con los estándares de Grado 1A, con cumplimiento ocasional de criterios de aguas superficiales de Clase IV. El proceso MBBR-Bardenpho demostró una estabilidad superior a pesar de fluctuaciones más amplias del afluente, lo que destaca su resiliencia a los choques de carga orgánica.

 

Mecanismos:

• Las zonas anóxicas/aeróbicas alternas en MBBR-Bardenpho promovieron el cometabolismo, mejorando la degradación de compuestos orgánicos complejos (por ejemplo, compuestos policíclicos, hidrocarburos halogenados).
• La terapia de reemplazo hormonal anóxica prolongada mejoró la utilización de fuentes lentas de carbono.

② Rendimiento de eliminación de NH₄⁺-N

Como se muestra en la Figura 3:

 

• Efluente NH₄⁺-N:

MBBR-AAO: 1,5 ± 0,5 mg/L

MBBR-Bardenpho: 1,1 ± 0,9 mg/L

Ambos cumplieron con los estándares de Grado 1A, a pesar de que MBBR-Bardenpho manejó cargas de nitrógeno 1,3 veces mayores debido al mayor flujo y al volumen aeróbico reducido.

 

Comparaciones clave:

• terapia de reemplazo hormonal aeróbica:Reducido en un 37% (13,6 h → 8,6 h) en Bardenpho.
• Capacidad de nitrificación:

MBBR-AAO: 0,158 kg/(m³·d)

MBBR-Bardenpho: 0,208 kg/(m³ d) (+32%)

 

Ventajas del MBBR:

 

• La biopelícula en los portadores retuvo nitrificantes con SRT >30 días, lo que permitió un enriquecimiento de alta eficiencia.
• La nitrificación mediada por portadores se volvió dominante bajo cargas de choque y baja temperatura.
• Flexibilidad de diseño:Eliminación de amoniaco a escala con área de superficie efectiva total, lograda mediante:

(a) Mayor relación de llenado del portador

(b) Portadores SPR-3 (superficie específica de 800 m²/m³)

③ Rendimiento de eliminación de TN

La figura 4 ilustra:

 

• Influencia TN:

MBBR-AAO: 73,2 ± 22,0 mg/L

MBBR-Bardenpho: 65,9 ± 30,0 mg/L

 

• Efluente TN:

MBBR-AAO: 20,9 ± 3,8 mg/L (eliminación del 71,4 %)

MBBR-Bardenpho: 7,4 ± 2,3 mg/L (eliminación del 88,8%)

 

Limitaciones del proceso:

• AAO:Dependiendo de la recirculación (proporción 350-400%), eliminación teórica máxima: 80%. Lograr una eliminación superior al 85% requeriría costos energéticos y de carbono insostenibles.
• Bardenpho:La zona post-anóxica superó los límites de recirculación, aumentando la remoción en un 17,4% sin aumentar la recirculación.

 

Impacto del diseño:

• AAO (3 etapas):Limitado por una única zona anóxica.
• Bardenpho (5 etapas):La zona post-anóxica adicional extendió el tiempo de desnitrificación y la utilización del carbono.

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Análisis económico

Uso del suelo

• Proceso Bardenpho: 0,136 m²/(m³·d⁻¹), 16% más compactoque AAO [0,162 m²/(m³·d⁻¹)].
• Ventaja clave:Los sistemas mejorados con MBBR logran expansión de la capacidad dentro del tanquesin tierra adicional.
• Nuevas plantas:MBBR reduce la huella en 80–90%en comparación con los lodos activados convencionales (CAS), especialmente en diseños MBBR puros (sin clarificadores secundarios/sistemas de retorno de lodos).

 

Consumo de energía

• AAO:0,338 kWh/m³
• Bardenpho:0,445 kWh/m³ (+0,107 kWh/m³)
  • Causas:Cargas de nitrógeno más elevadas + estándares de efluentes más estrictos.
  • Nota:Ambos valores superan los valores típicos de las plantas de tratamiento de aguas residuales debido aAltos niveles de DQO (950 mg/L) y TN (80 mg/L) en el afluente, superando con frecuencia los límites de diseño.

 

Uso de productos químicos

• Fuente de carbono: Solución de acetato de sodio al 25%, promedio 15 toneladas/día.
  • Relación de dosificación (zonas pre/post anóxicas): 1:2
  • Ajustes:Pausas de dosificación preanóxica durante cargas de choque orgánicas.

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Características del proceso y aplicabilidad

A continuación se presenta un análisis comparativo de los procesos AAO y Bardenpho mejorados con MBBR, centrándose en los aspectos operativos y de rendimiento clave:

①Eficiencia del tratamiento

• Ambos MBBR-AAOy MBBR-BardenphoDemostrar una eliminación robusta de contaminantes.
• Ventaja de la eliminación en TN:MBBR-Bardenpho destaca y logra un efluente TN (o inferior), lo que lo hace adecuado para estándares estrictos.

 

② Requisitos de huella

• Diseño compacto:Al aprovechar la nitrificación mejorada de MBBR, ambos procesos reducen significativamente el uso de la tierra y al mismo tiempo permiten expansión de capacidad.
• Compatibilidad de modernización:Los tanques existentes se pueden actualizar sin modificaciones estructurales.

 

③ Control operativo

• MBBR-AAO:
  • La eliminación de TN se basa en altas tasas de recirculación, aumentando los costos de energía.
  • Es un desafío ajustarlo para lograr una eliminación óptima de TN.

 

• MBBR-Bardenpho:
  • Ajusta la recirculación interna en función de DBO influente, reduciendo los caudales.
  • Zona postanóxicapermite un control preciso del TN a través dedosificación de carbono, mejorando la flexibilidad operativa.

Directrices de selección de procesos
Criterios	MBBR-AAO	MBBR-Bardenpho
Criterios	MBBR-AAO	MBBR-Bardenpho
Configuración	3 etapas (proceso más corto)	5 etapas (proceso extendido)
Eliminación de amoníaco	Excelente	Excelente
Eliminación de TN	Moderado (requiere alta recirculación)	Superior (vía desnitrificación post-anóxica)
Demanda de energía	Superior (dependiente de la recirculación)	Inferior (recirculación optimizada)
Mejor para	Estándares de grado 1A	Grado 1A omás estricto(por ejemplo, cuasi-Clase IV)
	Influente de intensidad media	Requisitos de eliminación de TN altos

Conclusiones clave:

• MBBR-AAO:Operación más sencilla, adecuada para Cumplimiento convencional de Grado 1A.
• MBBR-Bardenpho:Preferido para objetivos de TN ultrabajos, ofreciendo precisión en la dosificación controlada.

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Conclusiones

1. Actualizaciones basadas en MBBR:

• Ambos MBBR-AAOy MBBR-BardenphoLos procesos logran estabilidad Eliminación de NH₄⁺-N y DQO, reunión Grado 1Ay aún Normas de aguas superficiales de cuasi-clase IV.
• Capacidad de nitrificación:
  • MBBR-AAO: 158 kg/(m³·d)
  • MBBR-Bardenpho: 208 kg/(m³·d) (32% más alto)
• MBBR-Bardenphodemuestra estabilidad superior del efluentey resistencia a la carga de impacto.

 

2. Superioridad en la eliminación de TN de MBBR-Bardenpho:

• Asegura efluente TN a través de mejora de la zona postanóxica, logrando Eliminación de TN del 8%en la etapa biológica.

 

3. Perspectivas sobre la comunidad microbiana:

• Biopelícula en los portadores: Enriquece las bacterias nitrificantes (>10% de abundancia relativa), asegurando una nitrificación estable.
• Lodo activado:Alberga una mayor abundancia de desnitrificadores, lo que permite una eliminación eficiente de TN.
• Sinergia:Los transportadores y los lodos se aseguran conjuntamente Cumplimiento de NH₄⁺-N y TN.

 

4. Aplicabilidad del proceso:

• MBBR-AAO:
  • Modernizaciones compactas, pero Eliminación limitada de TNpor dependencia de la recirculación.
  • Mejor paraCumplimiento de grado 1Acon afluente de intensidad media.
• MBBR-Bardenpho:
  • Uso eficiente de la tierracon eliminación de TN sin igual.
  • Ideal para Normas de cuasi-Clase IV/+y afluente con alto contenido de nitrógeno.