ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO Y FÓSFORO

EFECTOS NOCIVOS DEL NITRÓGENO Y FÓSFORO

Según la DIRECTIVA CEE/271/1991 que tiene como objetivos:

Proteger el medio ambiente de la Unión Europea de los efectos negativos de la eutrofización.

Establecer normas de recogida, tratamiento y vertido de aguas residuales (industriales, agroalimentarias, etc.).

 Esta establece los porcentajes mínimos de reducción de nutrientes: 

PARÁMETROS	CONCENTRACIÓN	PORCENTAJE MÍNIMO DE REDUCCIÓN
Fósforo tota (P-PO4+P orgánico)	2 mg P/L	80
	( de 10000 a 100000 hab-eq.)
	1 mg P/L
	(más de 100000 hab- eq.)
Nitrógeno total (NTK + N-NO3)	15 mg N/L	70-80
	( de 10000 a 100000 hab-eq.)
	10 mg N/L
	(más de 100000 hab- eq.)

Fuente: Ingeniería de Aguas residuales/ eliminación biológica de nutrientes 
Las consecuencias de su presencia en las aguas son las siguientes

1.   Nitrógeno

ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES (NITRÓGENO Y FÓSFORO) MEDIANTE  UN PROCESO DISCONTINUO DE FANGOS ACTIVADOS

La diferencia fundamental entre un sistema de fangos activados convencional (o de flujo continuo) y uno de flujo discontinuo es que el proceso de depuración del primero tiene lugar en el espacio, mientras que el del segundo tiene lugar en el tiempo (Irvine y Ketchum, 1989).

Estos sistemas se realizan operaciones que en el sistema convencional el agua residual pasa por varios tanques en un solo tanque, llamado Reactor Biológico Secuencial (RBS). Las diferentes fases de tratamiento suceden a lo largo de un cierto periodo de tiempo llamado ciclo, cuya duración se programa en función de los objetivos de depuración que se quieran alcanzar. Cuando se termina un ciclo, o secuencia de tratamiento, éste se repite de manera sistemática.

Los RBS facilitan la posibilidad de eliminar nutrientes:

Los ciclos operativos se pueden modificar en función de las características del afluente y las exigencias de calidad impuestas al efluente. Para promover la eliminación de nutrientes, se necesita establecer fases con condiciones ambientales adecuadas para promover los mecanismos de asimilación o eliminación de nutrientes (nitrógeno o fósforo) por parte de los microorganismos.

                              Esquema de funcionamiento de un RBS ( Adaptado de Ketchum,1996)

Fuente: eliminación biológica de nutrientes (nitrógeno y fósforo) mediante  un proceso discontinuo de fangos activados.

Eliminación del Nitrógeno

Se encuentra en la forma de nitrógeno amoniacal en aguas urbanas. Para su transformación y eliminación, consiste en dos fases: la primera es de nitrificación, la cual consiste en que el nitrógeno amoniacal sea oxidado a nitratos, seguida de una segunda fase que es la desnitrificación, en la que los nitratos se reducen a nitrógeno gas.

Nitrificación

En la primera etapa el nitrógeno amoniacal es oxidado a nitritos, seguida de otra etapa en que éstos son oxidados a nitratos.

Las bacterias que se utilizan para este proceso son principalmente dos grupos de bacterias autótrofas aerobias llamadas Nitrosomonas y Nitrobacter. Estas consumen oxígeno disuelto durante este proceso y producen a la vez una disminución de la alcalinidad del agua residual de 7,07 mg CaCO3 /mg NH4 +-N oxidado.

                                                       

                                                   Reacción global de la Nitrificación                

  

Desnitrificación

Proceso por el cual el nitrógeno en forma de nitratos es reducido a nitrógeno gas (N2 ), este se  libera a la atmósfera.Además,el proceso aporta alcalinidad al agua en una proporción próxima a 3,57 mg CaCO3 /mg NO3 - -N reducido.

 Las bacterias que participan en este proceso son heterótrofas aerobias facultativas en condiciones anóxicas, ya que son capaces de utilizar los nitratos como aceptores de electrones, en lugar del oxígeno disuelto.

Es necesario una fuente de carbono orgánico para los microorganismos. Podemos encontrarlo en:

• ·         La materia orgánica contenida en el agua residual
• ·         Una fuente de carbono externa que se añade al líquido de mezcla (metanol, generalmente)
• ·         Una fuente de carbono endógena.

Proceso de nitrificación- desnitrificación en tres etapas 

Fuente: Libro Tratamiento de aguas residuales

                                                 Reacción global de la oxidación y síntesis

Ciclo biológico del Nitrógeno ( esquema adapatado de Ralph, 1974)

Fuente: Remoción de Nitrógeno y Fósforo 

MODELO PARA LA ELIMINACIÓN DEL NITRÓGENO AMONIACAL

Correlación típica de Ne/No en función de Xv,a th

Fuente: Libro Tratamiento de aguas residuales 

Eliminación del Fósforo

Se debe a ciertos microorganismos que asimilan un exceso de fósforo en condiciones aeróbicas y lo almacenan en forma de gránulos de polifosfatos.

Se da en dos fases, la primera se realiza en un medio en condiciones anaeróbicas, es decir, en ausencia de oxígeno disuelto y de oxígeno combinado en forma de nitritos y nitratos que puedan actuar como aceptores de electrones. Además, se requiere además la disponibilidad de compuestos orgánicos de bajo peso molecular, como los ácidos grasos volátiles de cadena corta.

La segunda fase tiene lugar en un medio en condiciones aeróbicas, y consiste en la asimilación de los compuestos orgánicos almacenados en la fase anterior.

Condiciones para la eliminación de fósforo:

• ·         La naturaleza y la disponibilidad de materia orgánica
• ·         La presencia de oxígeno disuelto en las diferentes etapas del proceso
• ·         La presencia de nitratos durante la fase anaeróbica
• ·         El pH
• ·         La temperatura
• ·         La presencia de substancias inhibidoras y tóxicas 

Estrategia 

      Los principales procesos de eliminación del fósforo son (ver la figura que aparece a continuación):

1. Tratamiento del agua primaria.
2. Tratamiento del efluente final de plantas biológicas (postprecipitación).
3. Tratamiento contemporáneo en la reacción biológica secundaria (coprecipitación).

El primer proceso está incluído en la categoría general de procesos de precipitación química. El fósforo se elimina con una eficacia del 90% y la concentración final de P es inferior a 0.5 mg/L.

La postprecipitación es un tratamiento estándar de efluentes secundarios, normalmente se usan sólo reactivos metálicos. Es el proceso que proporcionan las más altas eficiencias de eliminación de fósforo. La eficiencia puede alcanzar el 95%, y la concentración de fósforo en el efluente puede ser inferior a 0.5 mg/L.
El proceso de coprecipitación es particularmente adecuado para plantas de lodos activos, donde los agentes químicos se alimentan directamente en el tanque de aereación o antes de él. La recirculación continua de lodo, junto con la coagulación- floculación y los procesos de absorción, permiten una reducción del consumo de reactivos químicos. 
Procesos biológicos

A lo largo de los últimos 20 años, se han usado numerosas configuraciones en los procesos biológicos de crecimiento en suspensión. Los principales se representan en la siguiente figura.

Las principales ventajas de la eliminación de fósforo biológico son la reducción del coste de sustancias químicas y la inferior producción de lodo en comparación con la precipitación química.

En los procesos de eliminación de fósforo, el fósforo en el influente del agua residual se incorpora a la célula de biomasa, que consecuentemente se elimina del proceso como resultado de la deposición del lodo. La configuración del reactor proporciona la acumulación de fósforo en organismos (PAO), con una ventaja competitiva con respecto a otras bacterias. De esta forma el PAO es favorecido en el crecimiento y en el consumo de fósforo. La configuración del reactor comprende un tanque anaeróbico y otro de lodos activos. El tiempo de retención en el tanque anaeróbico es de 0.50 a 1.00 hora, y su contenido se mezcla para proporcionar el contacto con el lodo activo que proviene del influente del agua residual.

En la zona anaeróbica: Bajo condiciones anaerobias, los PAO asimilan los productos de fermentación (ácidos grasos volátiles) en productos de almacenamiento en las células con la liberación de fósforo a que proviene de la acumulación de polifostatos. El acetato se produce mediante la fermentación de bsCOD, material orgánico degradable disuelto que puede ser asimilado fácilmente por la biomasa. Usando la energía acumulada en los polifosfatos, los PAO asimilan el acetato y producen productos de almacenamiento intracelular: polidroxibuturato (PHB).Al mismo tiempo que la absorción del acetato, tiene lugar la liberación de los ortofosfatos, además de cationes magnesio, potasio y calcio.El contenido de PHB en el PAO aumenta mientras que el polifosfato disminuye.

En la zona aeróbica: la energía se produce por la oxidación de los productos almacenados y de la acumulación de polifosfatos en el interior de las células. El PHB acumulado se metaboliza, proporcionando energía de la oxidación y carbono para el desarrollo de las nuevas células. Como consecuencia del metabolismo de PHB se produce también glicógeno. La energía liberada de la oxidación de PHB se emplea para formar enlaces de polifosfato en el almacenamiento celular. El ortofosfato soluble se elimina de la solución y se incorpora en los polifosfatos en el interior de las células bactéricas. La utilización del PHB favorece el desarrollo de las células y esta nueva biomasa con elevado almacenamiento de polifosfato justifica la eliminación del fósforo. Mientras una parte de la biomasa se elimina, el fósforo acumulado se elimina del bioreactor para una deposición definitiva con el lodo residual.

La cantidad de fósforo eliminado por la acumulación biológica se puede estimar mediante la cantidad de bsCOD que se encuentra disponible en el influente de agua residual. Se consigue un mejor funcionamiento del sistema cuando el acetato del bsCOD se encuentra disponible en una tasa constante.

        Mecanismo de la EBF
 La teoría actualmente aceptada para conseguir la EBF es que el acetato y otros ácidos grasos de cadena corta, productos de la fermentación anaerobia, son captados y almacenados dentro de la célula, en forma de poli-ßhidroxi-butirato (PHB). 

      Este mecanismo sugiere que el nivel de fósforo eliminado por vía biológica se encuentra relacionado de forma directa con la cantidad de sustrato que pueda ser fermentado por los microorganismos en la fase anaerobia, y luego asimilado y almacenado como productos de fermentación. 

       Factores que influyen en la eliminación biológica de fósforo

   La eliminación biológica de fósforo (EBF) esta influenciada por la cantidad y tipo de sustrato disponible, el tiempo de duración de las fases, la presencia de oxígeno disuelto, nitratos y nitritos, la temperatura del agua residual, el pH y el tiempo de retención de sólidos (USEPA, 1987; Sedlak, 1991; Randall et al, 1992). 

    Factores que limitan el rendimiento de los sistemas biológicos de eliminación de fósforo 

•    Escasa concentración de ácidos orgánicos en el agua residual. 
•      Tiempo de retención en la etapa anaerobia demasiado reducido. 
•     Presencia de nitratos u oxígeno en los flujos afluentes al tanque anaerobio.
•     Cargas de fosfato muy variables y no acompasadas con las cargas orgánicas. 
•      Redisolución de fosfatos en decantador secundario. 
•    Fuga de sólidos excesiva del decantador secundario. 
•     Redisolución de fosfatos en las sucesivas fases del tratamiento y deshidratación de fangos.

CONCLUSIÓN

     Varios compuestos de nitrógeno son nutrientes esenciales. Su presencia en las aguas en exceso es causa de eutrofización. El nitrógeno se presenta en diferentes formas químicas en las aguas naturales y contaminadas. En los análisis habituales se suele determinar el NTK (nitrógeno total Kendal) que incluye el nitrógeno orgánico y el amoniacal.

   El fósforo, como el nitrógeno, es nutriente esencial para la vida. Su exceso en el agua provoca eutrofización. El fósforo total incluye distintos compuestos como diversos ortofosfatos, polifosfatos y fósforo orgánico. La determinación se hace convirtiendo todos ellos en ortofosfatos que son los que se determinan por análisis químico. 

      GLOSARIO

• Alcalinidad: Se define como la capacidad de una solución, para neutralizar un ácido o la cantidad de ácido que se requiere por litro para disminuir el valor del pH  a un valor aproximado de 4.3. 
• Sustancias inhibidoras: Sustancia del metabolismo vegetal que inhibe o retrasa el crecimiento de las plantas. En general los inhibidores naturales son derivados de las lactonas o sustancias orgánicas aromáticas.

BIBLIOGRAFÍA

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