Cuando el efluente del tratamiento secundario no cumple con la normativa de los requisitos para la descarga de aguas residuales, puede ser necesario un tratamiento adicional para reducir los niveles de contaminantes específicos. Esto generalmente se denomina tratamiento avanzado o tratamiento terciario. Los procesos de tratamiento avanzados se utilizan para eliminación de nutrientes como nitrógeno y fósforo, eliminación de residuos total de sólidos en suspensión, eliminación de metales pesados o inorgánicos específicos, y eliminación de contaminantes emergentes de interés, entre otros. Los procesos de tratamiento avanzado pueden incorporarse dentro de unidades de tratamiento primario y de tratamiento secundario por ejemplo para la eliminación biológica de nutrientes, o se pueden agregar unidades por separado después del tratamiento secundario, por ejemplo para la recuperación de aguas residuales. Estos incluyen precipitación química, adsorción de carbono, medios granulares para filtración y filtración por membranas, entre otros. Algunos de estos procesos se detallarán más adelante en referencia a los tipos de contaminantes que son eliminados por estos procesos. El enfoque de este capítulo será la remoción de nitrógeno, fósforo, sólidos suspendidos y disueltos y otros contaminantes inorgánicos presentes en las aguas residuales.
El exceso de nutrientes, como el nitrógeno y el fósforo, puede causar problemas de eutrofización en los cuerpos de agua. Los límites de descarga de efluentes de nutrientes pueden requerir el uso de procesos avanzados para la eliminación de nitrógeno y fósforo en la planta de tratamiento de agua residual (PTAR) o también conocida como estación de depuración de aguas residuales (EDAR). Las plantas de tratamiento que usan procesos biológicos para la remoción de nutrientes se conocen como BNR (Biological Nutrient Removal). El método de eliminación de nitrógeno más utilizado es la nitrificación-desnitrificación biológica.
REMOCIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO
Los compuestos de nitrógeno se forman en las aguas residuales domésticas a partir de degradación de proteínas y urea descargadas en los desechos corporales. Los compuestos orgánicos de nitrógeno se convierten posteriormente en el ion amonio acuoso (NH4+) o amoníaco gaseoso libre(NH3). Estas dos especies juntas son llamadas nitrógeno amoniacal (NH4-N), y permanecen en equilibrio de acuerdo con a la siguiente relación:
NH4+ = NH3, + H °
El pH y la temperatura afectan las concentraciones relativas del ion amonio acuoso (NH4+) y del amoníaco gaseoso libre(NH3).
La eliminación de nitrógeno amoniacal o amoniaco del agua se lleva a cabo por los siguientes procesos biológicos
(a) Nitrifricación-desnitrificación
(b) Nitritación- desnitritación
(c) Desammonificación
A continuación se describe el proceso de nitrificación-desnitrificación:
Nitrificación-desnitrificación
La nitrificación implica la conversión de amoníaco en nitratos, mientras que la desnitrificación implica la conversión de los nitratos en nitrógeno gaseoso que es liberado a la atmósfera.
Las condiciones y requisitos para el proceso de la nitrificación y la desnitrificación son muy diferentes entre sí.
Nitrificación:
La nitrificación es un proceso de dos pasos en el que el amoníaco se oxida a nitrito (NO2−) en el primer paso, y en el segundo paso el nitrito se oxida a nitrato (NO3-).
Las bacterias autótrofas descritas a continuación llevan a cabo estas reacciones:
Nitrosomonas: bacterias que transforman el amonio a nitrito y de esta forma suplen su necesidad de energía.
Nitrobacter: bacterias que transforman el nitrito a nitrato y de esta forma suplen su necesidad de energía.
La tasa de crecimiento de los organismos nitrificadores es mucho más lenta que la tasa de crecimiento de organismos heterótrofos, por tal razón se requiere un tiempo de retención de sólidos (SRT) mucho más largo para el proceso de nitrificación.
Adicional, la nitrificación es afectada por un número de parámetros y factores medio ambientales que incluyen la concentración de oxígeno disuelto, pH, toxicidad, metales y amoniaco no ionizado.
Concentración de oxígeno: la concentración de oxígeno disuelto es un parámetro muy importante para la nitrificación, concentraciones de 3 a 4 mg/L en el agua pueden incrementar las tasas de nitrificación.
Concentración de pH: La nitrificación es sensible al pH y las tasas disminuyen significativamente a valores de pH por debajo de 6.8. A valores de pH cercanos a 5.8 a 6.0, las tasas pueden ser del 10 al 20 por ciento. Las tasas óptimas de nitrificación ocurren a valores de pH en el rango de 7.5 a 8.0. Normalmente, se utiliza un ph de 7.0 a 7.2 para mantener tasas de nitrificación razonables y para ubicaciones con aguas de baja alcalinidad, se agrega alcalinidad en la planta de tratamiento de aguas residuales para mantener valores de pH aceptables.
Toxicidad: Los organismos nitrificantes son sensibles a una amplia gama de compuestos orgánicos e inorgánicos y en concentraciones muy por debajo de las concentraciones que afectarían a las bacterias aeróbicas, si continúan creciendo y oxidando el amoníaco y el nitrito pero a tasas significativamente reducidas. En algunos casos, la toxicidad puede ser suficiente para matar las bacterias nitrificantes. Los compuestos que son tóxicos incluyen solventes químicos orgánicos, aminas, proteínas, taninos, compuestos fenólicos, alcoholes, cianatos, éteres, carbamatos y benceno.
Metales: Los metales también son motivo de preocupación para las bacterias nitrificantes, algunos autores han demostrado una inhibición completa de la oxidación del amoniaco a 0,25 mg / l de níquel, 0,25 mg / l de cromo y 0,10 mg / l de cobre.
Amoniaco no ionizado: La nitrificación es también inhibida por amoniaco no inonizado o amoniaco libre y ácido nitroso no ionizado. Los efectos de inhibición dependen de la concentración total de especies de nitrógeno, la temperatura y el pH.
Desnitrificación:
El último paso en la remoción biológica de nitrógeno es la desnitrificación que consiste en la reducción biológica de nitrato a gas de óxido nítrico (NO), gas de óxido nitroso (N2O) y gas nitrógeno y es un proceso que es llevado a cabo por una variedad de bacterias heterótrofas y autótrofas. En los procesos llevados a cabo en aguas residuales la mayoría de estas bacterias son facultativas anaerobias de la especie Pseudomonas.
El gas de óxido nítrico (NO) solamente es un producto intermediario, por otro lado el gas de óxido nitroso (N2O) puede ser el producto final de algunas bacterias desnitrificadoras. En la mayoría de casos, el nitrógeno gas (N2) es el producto final en la desnitrificación.
La desnitrificación se lleva a cabo en la presencia de nitratos y en la ausencia de oxígeno. El nivel de oxígeno disuelto debe de estar en cero o cerca de cero y una fuente de carbono debe de estar disponible para las bacterias. El nitrato actúa como aceptor de electrones para donantes de electrones orgánicos o inorgánicos.
Dado que un bajo contenido de carbono se requiere para el paso de nitrificación anterior se debe de agregar carbono adicional para el paso de desnitrificación, esto en el caso de las plantas de tratamiento que cuenten con una etapa llamada post- anóxico y esta fuente de carbono adicional externa puede ser metanol, etanol, acetato o glicerol. Ahora bien, esta fuente de carbono se puede agregar a través de las aguas residuales, que tienen una demanda bioquímica de oxígeno (DBO), esto aplica en los casos de las plantas de tratamiento que tengan una etapa llamada pre-anóxico.
Generalmente en las reacciones que se llevan a cabo en la desnitrificación, la mitad de la alcalinidad que fue consumida en la nitrificación se puede recuperar.
El potencial de desnitrificación de las aguas residuales se determina principalmente como relación estequiométrica entre el compuesto orgánico utilizado y el nitrato, que generalmente se expresa como la demanda química de oxígeno (DQO)/N o la relación DBO/N.
Un parámetro de diseño importante para el proceso de desnitrificación es la cantidad de DBO o DQO soluble biodegradable requerida como donante de electrones para la eliminación de nitrógeno de las aguas residuales.
Se debe de tomar en cuenta que cuando una planta de tratamiento de aguas residuales requiere de una remoción significativa de nitrógeno, la materia orgánica naturalmente presente en las aguas residuales puede ser insufiiciente para lograr los niveles requeridos de desnitrificación. Esto requiere de la adición de una fuente externa de carbono, entre las que se pueden mencionar metanol, etanol, ácido acético, glucosa, glicerol.
Entender la cinética y estequeometría de los organismos desnitrificantes es de primordial importancia en el diseño y optimización de los procesos de eliminación de nitrógeno.
Cuando el efluente del tratamiento secundario no cumple con la normativa de los requisitos para la descarga de aguas residuales, puede ser necesario un tratamiento adicional para reducir los niveles de contaminantes específicos. Esto generalmente se denomina tratamiento avanzado o tratamiento terciario. Los procesos de tratamiento avanzados se utilizan para eliminación de nutrientes como nitrógeno y fósforo, eliminación de residuos total de sólidos en suspensión, eliminación de metales pesados o inorgánicos específicos, y eliminación de contaminantes emergentes de interés, entre otros. Los procesos de tratamiento avanzado pueden incorporarse dentro de unidades de tratamiento primario y de tratamiento secundario por ejemplo para la eliminación biológica de nutrientes, o se pueden agregar unidades por separado después del tratamiento secundario, por ejemplo para la recuperación de aguas residuales. Estos incluyen precipitación química, adsorción de carbono, medios granulares para filtración y filtración por membranas, entre otros. Algunos de estos procesos se detallarán más adelante en referencia a los tipos de contaminantes que son eliminados por estos procesos. El enfoque de este capítulo será la remoción de nitrógeno, fósforo, sólidos suspendidos y disueltos y otros contaminantes inorgánicos presentes en las aguas residuales.
El exceso de nutrientes, como el nitrógeno y el fósforo, puede causar problemas de eutrofización en los cuerpos de agua. Los límites de descarga de efluentes de nutrientes pueden requerir el uso de procesos avanzados para la eliminación de nitrógeno y fósforo en la planta de tratamiento de agua residual (PTAR) o también conocida como estación de depuración de aguas residuales (EDAR). Las plantas de tratamiento que usan procesos biológicos para la remoción de nutrientes se conocen como BNR (Biological Nutrient Removal). El método de eliminación de nitrógeno más utilizado es la nitrificación-desnitrificación biológica.
REMOCIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO
Los compuestos de nitrógeno se forman en las aguas residuales domésticas a partir de degradación de proteínas y urea descargadas en los desechos corporales. Los compuestos orgánicos de nitrógeno se convierten posteriormente en el ion amonio acuoso (NH4+) o amoníaco gaseoso libre(NH3). Estas dos especies juntas son llamadas nitrógeno amoniacal (NH4-N), y permanecen en equilibrio de acuerdo con a la siguiente relación:
NH4+ = NH3, + H °
El pH y la temperatura afectan las concentraciones relativas del ion amonio acuoso (NH4+) y del amoníaco gaseoso libre(NH3).
La eliminación de nitrógeno amoniacal o amoniaco del agua se lleva a cabo por los siguientes procesos biológicos
(a) Nitrifricación-desnitrificación
(b) Nitritación- desnitritación
(c) Desammonificación
A continuación se describe el proceso de nitrificación-desnitrificación:
Nitrificación-desnitrificación
La nitrificación implica la conversión de amoníaco en nitratos, mientras que la desnitrificación implica la conversión de los nitratos en nitrógeno gaseoso que es liberado a la atmósfera.
Las condiciones y requisitos para el proceso de la nitrificación y la desnitrificación son muy diferentes entre sí.
Nitrificación:
La nitrificación es un proceso de dos pasos en el que el amoníaco se oxida a nitrito (NO2−) en el primer paso, y en el segundo paso el nitrito se oxida a nitrato (NO3-).
Las bacterias autótrofas descritas a continuación llevan a cabo estas reacciones:
Nitrosomonas: bacterias que transforman el amonio a nitrito y de esta forma suplen su necesidad de energía.
Nitrobacter: bacterias que transforman el nitrito a nitrato y de esta forma suplen su necesidad de energía.
La tasa de crecimiento de los organismos nitrificadores es mucho más lenta que la tasa de crecimiento de organismos heterótrofos, por tal razón se requiere un tiempo de retención de sólidos (SRT) mucho más largo para el proceso de nitrificación.
Adicional, la nitrificación es afectada por un número de parámetros y factores medio ambientales que incluyen la concentración de oxígeno disuelto, pH, toxicidad, metales y amoniaco no ionizado.
Concentración de oxígeno: la concentración de oxígeno disuelto es un parámetro muy importante para la nitrificación, concentraciones de 3 a 4 mg/L en el agua pueden incrementar las tasas de nitrificación.
Concentración de pH: La nitrificación es sensible al pH y las tasas disminuyen significativamente a valores de pH por debajo de 6.8. A valores de pH cercanos a 5.8 a 6.0, las tasas pueden ser del 10 al 20 por ciento. Las tasas óptimas de nitrificación ocurren a valores de pH en el rango de 7.5 a 8.0. Normalmente, se utiliza un ph de 7.0 a 7.2 para mantener tasas de nitrificación razonables y para ubicaciones con aguas de baja alcalinidad, se agrega alcalinidad en la planta de tratamiento de aguas residuales para mantener valores de pH aceptables.
Toxicidad: Los organismos nitrificantes son sensibles a una amplia gama de compuestos orgánicos e inorgánicos y en concentraciones muy por debajo de las concentraciones que afectarían a las bacterias aeróbicas, si continúan creciendo y oxidando el amoníaco y el nitrito pero a tasas significativamente reducidas. En algunos casos, la toxicidad puede ser suficiente para matar las bacterias nitrificantes. Los compuestos que son tóxicos incluyen solventes químicos orgánicos, aminas, proteínas, taninos, compuestos fenólicos, alcoholes, cianatos, éteres, carbamatos y benceno.
Metales: Los metales también son motivo de preocupación para las bacterias nitrificantes, algunos autores han demostrado una inhibición completa de la oxidación del amoniaco a 0,25 mg / l de níquel, 0,25 mg / l de cromo y 0,10 mg / l de cobre.
Amoniaco no ionizado: La nitrificación es también inhibida por amoniaco no inonizado o amoniaco libre y ácido nitroso no ionizado. Los efectos de inhibición dependen de la concentración total de especies de nitrógeno, la temperatura y el pH.
Desnitrificación:
El último paso en la remoción biológica de nitrógeno es la desnitrificación que consiste en la reducción biológica de nitrato a gas de óxido nítrico (NO), gas de óxido nitroso (N2O) y gas nitrógeno y es un proceso que es llevado a cabo por una variedad de bacterias heterótrofas y autótrofas. En los procesos llevados a cabo en aguas residuales la mayoría de estas bacterias son facultativas anaerobias de la especie Pseudomonas.
El gas de óxido nítrico (NO) solamente es un producto intermediario, por otro lado el gas de óxido nitroso (N2O) puede ser el producto final de algunas bacterias desnitrificadoras. En la mayoría de casos, el nitrógeno gas (N2) es el producto final en la desnitrificación.
La desnitrificación se lleva a cabo en la presencia de nitratos y en la ausencia de oxígeno. El nivel de oxígeno disuelto debe de estar en cero o cerca de cero y una fuente de carbono debe de estar disponible para las bacterias. El nitrato actúa como aceptor de electrones para donantes de electrones orgánicos o inorgánicos.
Dado que un bajo contenido de carbono se requiere para el paso de nitrificación anterior se debe de agregar carbono adicional para el paso de desnitrificación, esto en el caso de las plantas de tratamiento que cuenten con una etapa llamada post- anóxico y esta fuente de carbono adicional externa puede ser metanol, etanol, acetato o glicerol. Ahora bien, esta fuente de carbono se puede agregar a través de las aguas residuales, que tienen una demanda bioquímica de oxígeno (DBO), esto aplica en los casos de las plantas de tratamiento que tengan una etapa llamada pre-anóxico.
Generalmente en las reacciones que se llevan a cabo en la desnitrificación, la mitad de la alcalinidad que fue consumida en la nitrificación se puede recuperar.
El potencial de desnitrificación de las aguas residuales se determina principalmente como relación estequiométrica entre el compuesto orgánico utilizado y el nitrato, que generalmente se expresa como la demanda química de oxígeno (DQO)/N o la relación DBO/N.
Un parámetro de diseño importante para el proceso de desnitrificación es la cantidad de DBO o DQO soluble biodegradable requerida como donante de electrones para la eliminación de nitrógeno de las aguas residuales.
Se debe de tomar en cuenta que cuando una planta de tratamiento de aguas residuales requiere de una remoción significativa de nitrógeno, la materia orgánica naturalmente presente en las aguas residuales puede ser insufiiciente para lograr los niveles requeridos de desnitrificación. Esto requiere de la adición de una fuente externa de carbono, entre las que se pueden mencionar metanol, etanol, ácido acético, glucosa, glicerol.
Entender la cinética y estequeometría de los organismos desnitrificantes es de primordial importancia en el diseño y optimización de los procesos de eliminación de nitrógeno.
