SBR technology for wastewater treatment: suitable operational conditions for a nutrient removal

Abstract

Actualment, la legislació ambiental ha esdevingut més restrictiva pel que fa a la descàrrega d'aigües residuals amb nutrients, especialment en les anomenades àrees sensibles o zones vulnerables. Arran d'aquest fet, s'ha estimulat el coneixement, desenvolupament i millora dels processos d'eliminació de nutrients. El Reactor Discontinu Seqüencial (RDS) o Sequencing Batch Reactor (SBR) en anglès, és un sistema de tractament de fangs actius que opera mitjançant un procediment d'omplerta-buidat. En aquest tipus de reactors, l'aigua residual és addicionada en un sol reactor que treballa per càrregues repetint un cicle (seqüència) al llarg del temps. Una de les característiques dels SBR és que totes les diferents operacions (omplerta, reacció, sedimentació i buidat) es donen en un mateix reactor. La tecnologia SBR no és nova d'ara. El fet, és que va aparèixer abans que els sistema de tractament continu de fangs actius. El precursor dels SBR va ser un sistema d'omplerta-buidat que operava en discontinu. Entre els anys 1914 i 1920, varen sorgir certes dificultats moltes d'elles a nivell d'operació (vàlvules, canvis el cabal d'un reactor a un altre, elevat temps d'atenció per l'operari...) per aquests reactors. Però no va ser fins a finals de la dècada dels '50 principis del '60, amb el desenvolupament de nous equipaments i noves tecnologies, quan va tornar a ressorgir l'interès pels SBRs. Importants millores en el camp del subministrament d'aire (vàlvules motoritzades o d'acció pneumàtica) i en el de control (sondes de nivell, mesuradors de cabal, temporitzadors automàtics, microprocessadors) han permès que avui en dia els SBRs competeixin amb els sistemes convencional de fangs actius. L'objectiu de la present tesi és la identificació de les condicions d'operació adequades per un cicle segons el tipus d'aigua residual a l'entrada, les necessitats del tractament i la qualitat desitjada de la sortida utilitzant la tecnologia SBR. Aquestes tres característiques, l'aigua a tractar, les necessitats del tractament i la qualitat final desitjada determinen en gran mesura el tractament a realitzar. Així doncs, per tal d'adequar el tractament a cada tipus d'aigua residual i les seves necessitats, han estat estudiats diferents estratègies d'alimentació. El seguiment del procés es realitza mitjançant mesures on-line de pH, OD i RedOx, els canvis de les quals donen informació sobre l'estat del procés. Alhora un altre paràmetre que es pot calcular a partir de l'oxigen dissolt és la OUR que és una dada complementària als paràmetres esmentats. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen d'una aigua residual sintètica utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de l'estudi de l'efecte del nombre d'alimentacions, la definició de la llargada i el número de fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha aplicat l'estratègia d'alimentació esglaonada a dues aigües residuals diferents: una procedent d'una indústria tèxtil i l'altra, dels lixiviats d'un abocador. En ambdues aigües residuals es va estudiar l'eficiència del procés a partir de les condicions d'operació i de la velocitat del consum d'oxigen. Mentre que en l'aigua residual tèxtil el principal objectiu era eliminar matèria orgànica, en l'aigua procedent dels lixiviats d'abocador era eliminar matèria orgànica i nitrogen. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen i fòsfor d'una aigua residual urbana utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de la definició del número i la llargada de les fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha analitzat la influència del pH i la font de carboni per tal d'eliminar fòsfor d'una aigua sintètica a partir de l'estudi de l'increment de pH a dos reactors amb diferents fonts de carboni i l'estudi de l'efecte de canviar la font de carboni. Tal i com es pot veure al llarg de la tesi, on s'han tractat diferents aigües residuals per a diferents necessitats, un dels avantatges més importants d'un SBR és la seva flexibilitat.

Actualmente, la legislación ambiental se ha convertido más restrictiva por lo que concierne al vertido de aguas residuales con nutrientes, especialmente en las llamadas áreas sensibles o zonas vulnerables. A partir de este hecho, se ha estimulado el conocimiento, desarrollo y mejora de los procesos de eliminación de nutrientes. El Reactor Discontinuo Secuencial (RDS) o Sequencing Batch Reactor (SBR) en inglés, es un sistema de tratamiento de fangos activados que opera mediante un procedimiento de llenado-vaciado. En este tipo de reactores, el agua residual es adicionada en un solo reactor que trabaja por cargas repitiendo un ciclo (secuencia) a lo largo del tiempo. Una de les características de los SBR es que todas las diferentes operaciones (llenado, reacción, sedimentación y vaciado) se dan en el mismo reactor. La tecnología SBR no es nueva. De hecho, apareció antes que el sistema de tratamiento continuo de fangos activados. El precursor de los SBR fue un sistema de llenado-vaciado que operaba en discontinuo. Entre los años 1914 y 1920, surgieron ciertas dificultades muchas de ellas a nivel de operación (válvulas, cambios de caudal de un reactor a otro, elevado tiempo de atención por parte del operario...) para estos reactores. Pero no fue hasta finales de la década de los '50 principios de los '60, con el desarrollo de los nuevos equipamientos y las nuevas tecnologías, cuando volvió a resurgir el interés en los SBRs. Importantes mejoras en el campo de los suministro de aire (válvulas motorizadas o de acción neumática) y en el de control (sondas de nivel, medidores de caudal, temporizadores automáticos, microprocesadores) han permitido que hoy en día los SBRs compitan con los sistemas convencionales de fangos activados. El objetivo de la presente tesis es la identificación de las condiciones de operación adecuadas para un ciclo según el tipo de agua residual en la entrada, las necesidades del tratamiento y la calidad deseada de la salida utilizando la tecnología SBR. Estas tres características, el agua a tratar, las necesidades del tratamiento y la calidad final deseada determinan en gran medida el tratamiento a realizar. Así pues, para poder adecuar el tratamiento a cada tipo de agua residual y a sus necesidades, han sido estudiados diferentes estrategias de alimentación. El seguimiento de los cambios de las medidas en línea de pH, OD y RedOx proporciona información sobre el proceso. A su vez, otro parámetro que se puede calcular a partir del OD es la OUR que también da información del proceso. Se han evaluado las condiciones de operación para eliminar nitrógeno de una agua residual sintética utilizando una estrategia de alimentación escalonada, a partir del estudio del efecto del número de alimentaciones, la definición de la longitud y el número de fases por ciclo, y la identificación de los puntos críticos siguiendo las sondas de pH, OD y RedOx. Se ha aplicado la estrategia de alimentación escalonada a dos aguas residuales diferentes: una procedente de una industria textil y la otra, de los lixiviados de un vertedero. En las dos aguas residuales se estudió la eficiencia del proceso a partir de las condiciones de operación y de la velocidad de consumo de oxigeno. Mientras que en el agua residual textil el principal objetivo era eliminar materia orgánica, en el agua procedente de los lixiviados del vertedero era eliminar materia orgánica y nitrógeno. Se han evaluado las condiciones de operación para eliminar nitrógeno y fósforo de una agua residual urbana utilizando una estrategia de alimentación escalonada, a partir del estudio de la definición de la longitud y el número de fases por ciclo, y la identificación de los puntos críticos siguiendo las sondas de pH, OD y RedOx. Se han analizado la influencia del pH y la fuente de carbono para eliminar fósforo de un agua sintética a partir del estudio del incremento de pH en dos reactores con diferentes fuentes de carbono y el estudio del efecto de cambiar la fuente de carbono. Como se puede apreciar a lo largo de la tesis, donde se han tratado diferentes aguas residuales para a diferentes necesidades, una de las ventajas más importantes de los SBR es su flexibilidad.

Nowadays, environmental legislation has become more restricted in the nutrient wastewater discharge, especially in the sensitive areas and vulnerable zones. So, many studies have been stimulated on the understanding, developing and improving the biological nutrient removal processes. The Sequencing Batch Reactor (SBR) is a fill-and-draw activated sludge system for wastewater treatment. In this system, wastewater is added to a single reactor which operates in a batch treatment mode repeating a cycle (sequence) continuously. All the operations (fill, react, settle and draw) are achieved in a single batch reactor. SBR technology is not new. In fact, it precedes the use of continuous flow activated sludge technology. The precursor to this was a fill-and-draw system operated on batch, similar to the SBR. Between 1914 and 1920, many difficulties were associated with operating these fill-and-draw systems, most resulting from the process valving required to switch flow from one reactor to another, operator attention required. Interest in SBRs was revived in the late 1950s and early 1960s, with the development of new equipment and technology. Improvements in aeration devices (i.e. motorized valves, pneumatically actuated valves) and controls (level sensors, flowmeters, automatic timers, microprocessors) have allowed SBRs to successfully compete with conventional activated sludge systems. The aim of this thesis consists in the identification of suitable operation conditions for a cycle according to kind of influent wastewater, treatment requirements and effluent quality using a SBR technology. The influent wastewater, treatment requirements and effluent quality desire determinate in great measure the treatment to realize. So, different studies have been carried out in order to obtain a suitable treatment for each wastewater and requirement using a step-feed strategy. By means of on-line pH, DO and ORP measurements are possible follow the status of the process. At the same time another parameter, that complements all these, is the OUR calculated through DO dada. Evaluation the operation conditions for nitrogen removal using a step-feed strategy for a synthetic wastewater through the study of the effect of number of filling events, the definition of the length and number of phases for a cycle, and the identification of the critical points following the pH, DO and ORP sensors. Application of the step-feed strategy in two different industrial wastewaters: textile wastewater and landfill leachate wastewater. In both wastewaters, the efficiency has been studied through the operational conditions and oxygen uptake rate. While in the textile wastewater the main objective was only organic matter removal, in the landfill leachate wastewater was carbon and nitrogen removal. Evaluation of the operation conditions for nitrogen and phosphorus removal using a step-feed strategy for an urban wastewater through, the definition of the number and length of phases for a cycle, and the identification of the critical points following the pH, DO and ORP sensors. Influence of pH and carbon source in phosphorus removal using synthetic wastewater through the study of pH increase in two different carbon sources and the effect of change of carbon source. As it can be observed in this thesis, where it is treated different wastewaters for different requirements, one of the main advantages of the SBR is its flexibility.