Tratamiento Aguas Residuales

Eliminación biológica de nutrientes en aguas residuales(Ia) Fundamentos biológicos

M.A. RodrigoDpto. de Ingeniería Química. Universidad de Castilla La Mancha

J. FerrerDpto. de Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente. Universidad

Politécnica de Valencia.

A. Seco y J.M. Penya-roja Dpto. de Ingeniería Química. Universidad de Valencia.

La eutrofización es un fenómeno que se ha puesto de manifiesto de forma muy clara en los últimos años en parte de las aguas continentales y costeras de la geografía peninsular y que se caracteriza por el desarrollo masivo de algas en el agua.

Este fenómeno suele aparecer asociado al vertido de aguas residuales, depuradas o sin depurar, con un contenido muy elevado de nutrientes (nitrógeno y fósforo, fundamentalmente), si bien existen fuentes de contaminación por nitrógeno y fósforo distintas de los vertidos. Entre ellas la fuente más importante, en cuanto a nitrógeno se refiere, es la contaminación debida a los fertilizantes nitrogenados usados en la agricultura. Este tipo de contaminación afecta especialmente a las aguas subterráneas, que reciben el agua de riego infiltrada, así como a las masas de agua conectadas con ellas: ríos, costas, lagos, etc. En cuanto a la contaminación por fósforo debida a los fertilizantes agrícolas cabe citar que actualmente no es importante en España, ya que al no estar la

mayor parte de los suelos de la península saturados de fosfatos este elemento es retenido por adsorción en la zona más superficial de los mismos.

Para la eliminación de nitrógeno y fósforo de las aguas residuales se utilizan métodos biológicos y físico - químicos, siendo los primeros más utilizados en la eliminación de nitrógeno y los segundos en la de fósforo. Actualmente existe una tendencia creciente al uso de métodos biológicos para la eliminación de fósforo, integrando en un solo proceso la eliminación de nitrógeno, fósforo y materia orgánica. Esto es debido fundamentalmente a los menores costes de operación asociados a este tipo de procesos, ya que no requieren la adición de ningún reactivo químico y a la menor cantidad de fangos generados al reducirse los costes derivados de su tratamiento y evacuación.

2. Los nutrientes

Este término engloba a ciertas especies químicas de los elementos que aparecen en Tabla I caracterizadas por ser

biológicos.describen los fundamentosEn este primer artículo se

procesos.utilizados en la simulación de los

comúnmente y los modelostratamiento empleados

de diseño, los procesos devalores típicos de los parámetros

procesos de tratamiento), loscompresión de los complejos

necesarios para una posterior(fundamentos bioquímicos

residuales. Se describen sustratamiento de las aguas

eliminación de nutrientes en elprocesos biológicos de

una exhaustiva revisión de losiniciamos en este número se hace

En esta serie de artículos, que

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fundamentales para el desarrollo de la vida. En función de la cantidad en la que entran a formar parte de la composición de la materia celular pueden ser clasificadas en macronutrientes y micronutrientes. Se entiende por micronutrientes aquellos

compuestos que son necesarios en cantidades traza para la formación de tejido celular y macronutrientes los que se utilizan en mayor proporción. junio 99

INGENIERIA

QUIMICA

La ausencia de cualquiera de estos nutrientes provoca una inhibición en el crecimiento celular y, por tanto, una disminución de la extensión del proceso de eutrofización. De ahí que actualmente el principal método para evitar la eutrofización de un medio susceptible a este problema sea la eliminación de los nutrientes que llegan a éste. Las aguas residuales insuficientemente tratadas constituyen una importante fracción del aporte de nutrientes a un medio acuático.

Intentar suprimir el crecimiento celular mediante la eliminación de algún micronutriente

de los contenidos en un agua residual

no es un método factible, debido a que la cantidad en la que estos compuestos son necesarios para el

crecimiento de los organismos es muy pequeña.

Por tanto, es conveniente la eliminación de macronutrientes. A pesar de que la supresión de los compuestos de C parecería la más convenien

te por ser éstos los que se necesitan en mayor proporción, su eliminación no influye en el proceso de la eutrofización, al tomar las algas este elemento del CO2

atmosférico o incluso de la alcalinidad del agua (bicarbonat

os).

Los compuestos de N y P son los que presentan las mejores características para ser eliminados, ya que son requeridos en grandes proporciones en la formación del tejido celular de las algas (compuesto por un 3-

en el c rec im iento de org anism osN utrientes fundam entales Tabla I.

Fe, Mo, Cu, Mn, Zn …micronutrientes

C, N, P, Si, S, Ca, Mg, Na, Kmacronutrientes

en un ag ua residualTabla II. Form as princ ipales del nitróg eno

Nitrógeno oxidado)

TNitrógeno Total (N

Nitrógeno orgánico

Nitrógeno amoniacalNitrógeno total Kjeldahl (NTK)

10% de N y un 0.5-1% de P) (WPCF, 1983) y existen procesos de eliminación de estos compuestos con una metodología de tratamiento bien establecida.

2.1. Compuestos de nitrógeno –––––––––––––––––––––––––––––––

Las fuentes de nitrógeno en un medio acuático pueden ser tanto naturales (escorrentía rural, polvo, precipitaciones y fijación biológica) como artificiales (escorrentía en zonas urbanas, aguas residuales municipales, industrias, abonados, filtración de fosas sépticas, etc.).

En la Tabla II se muestra una clasificación de los distintos compuestos de nitrógeno presentes en las aguas residuales.

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El nitrógeno amoniacal está presente en las aguas residuales urbanas, así como en las provenientes de algunas industrias. Su concentración habitual en un agua residual urbana

oscila entre 10 y 50 mg/l, pudiendo llegar a 800 mg/l en aguas procedentes de algunas industrias.

El nitrógeno orgánico procede de la materia celular donde se encuentra principalmente en las proteínas y en la urea, que es una de las principales formas del nitrógeno orgánico soluble. Puede observarse una disminución en la concentración de urea conforme aumenta la edad del agua debido a su transformación en nitrógeno amoniacal por la acción de microorganismos. La concentración típica de nitrógeno orgánico en un agua residual urbana oscila entre 5 y 35 mg/l.

La suma del nitrógeno amoniacal y el orgánico constituye el denominado Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK).

El grupo del nitrógeno oxidado está constituido fundamentalmente por dos especies químicas: nitrato y nitrito. Puede provenir de la oxidación del NTK o bien formar parte del agua de abastecimiento. Su concentración típica en un agua residual es baja, y generalmente inferior al 1% del nitrógeno total (NT).

2.2. Compuestos de fósforo –––––––––––––––––––––––––––––––

Los compuestos de fósforo pueden ser clasificados desde los puntos de vista químico y analítico según se muestra en la Tabla III.

En el grupo de los ortofosfatos se incluye el PO4

3- y sus formas protonadas. Procede fundamentalmente del uso de fertilizantes agrícolas. Su concentración típica en un agua residual urbana está en el intervalo de 3 - 7 mg/l.

El grupo de los polifosfatos está constituido por las formas de fósforo condensadas (pirofosfatos, etc.). Su concentración típica en un agua residual urbana está entre 2-4 mg/l, apareciendo en el agua residual debido a su presencia en algunos productos de limpieza.

El fósforo orgánico tiene poca importancia en aguas residuales urbanas, siendo su concentración típica en un agua residual del orden de 1 mg/l. Su presencia se debe a residuos tanto de origen animal como alimenticio.

Analíticamente, existe una equivalencia entre el fósforo reactivo y los ortofosfatos y el fósforo

ácidohidrolizable y los polifosfatos. Sin embargo, en la determinación del fósforo reactivo se mide una pequeña proporción de los polifosfatos y en la

determinación del fósforo ácido - hidrolizable, también se mide una pequeña proporción de fósforo orgánico.

Para todas las formas de fósforo descritas es posible distinguir una fracción soluble y una particulada.

bacterias del género Nitrosomonas 3. Fundamentos de la y la segunda

consiste en la transeliminación

biológica formación de éste en

nitratos y se de nutrientes realiza por la acción de bacterias

Los tratamientos biológicos de aguas residuales se basan en el aprovechamiento de los comportamientos metabólicos de determinados microorganismos.

A continuación, se describen los procesos más importantes en los cuales se ven involucrados.

3.1. Eliminación de nitrógeno–––––––––––––––––––––––––––––––

Para que se produzca este fenómeno es necesaria la conjunción de dos procesos: nitrificación y desnitrificación. Ambos procesos pueden esquematizarse mediante las ecuaciones indicadas en la figura 1.

El proceso de nitrificación se lleva a cabo en dos etapas: la primera es la transformación del amonio en nitrito, que es llevada a cabo por

del género Nitrobacter 1990).

Dada la baja tasa de crecimiento de estos microorganismos, este proceso está favorecido por altas temperaturas y elevados tiempos de retención celular.

La desnitrificación consiste en la eliminación del nitrógeno nítrico formado en la nitrificación mediante un proceso de reducción bacteriana. A las bacterias capaces de utilizar nitratos como aceptores de electrones en el procesado metabólico de la materia orgánica se las denomina heterótrofas desnitrificantes. En muchos casos suelen ser bacterias heterótrofas facultativas, que utilizan generalmente oxígeno como aceptor de electrones y que en ausencia de éste pueden utilizar nitratos.

Este proceso se ve favorecido por temperaturas elevadas y es inhibi-

Figura 1. Proceso de nitrificación desnitrificación

Tratamiento Aguas

Residuales

do por la presencia de oxígeno. Para que se lleve a cabo el proceso de desnitrificación se precisa materia orgánica, utilizándose por lo general la contenida en el agua residual, aunque en algunos casos puede ser necesaria la adición de una fuente externa (generalmente, en forma de metanol).

En el proceso de nitrificación se consume alcalinidad en una cantidad estimada en 7,14 mg CaCO3 / mg de N nitrificado, pudiendo ocurrir que si la relación Alcalinidad / NKT en el influente no es suficientemente elevada el consumo de alcalinidad en el proceso de nitrificación origine problemas en el pH del sistema. Este problema se compensa parcialmente cuando el tratamiento incluye un proceso de desnitrificación, ya que por cada mg

Tabla III. C lasific ac ión de los c om puestos de fósforo

OrgánicoAcido-hidrolizableReactivoReactividad

ParticuladoSolubleFiltraciónClasificación analítica

)T

Fósforo total (PP OrgánicosPolifosfatosOrtofosfatosClasificación química

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de N desnitrificado se generan del orden de 4,13 mg de alcalinidad expresada como CaCO3.

3.2. Eliminación de fósforo –––––––––––––––––––––––––––––––

El proceso de eliminación potenciada de fósforo o extra-asimilación se basa en la polimerización de los ortofosfatos presentes en el agua residual a polifosfatos y su acumulación en el interior de determinadas bacterias (denominadas acumuladoras). De esta forma, se posibilita la eliminación de fósforo por medio de la purga de fangos. En las figuras 2 y 3 se muestra una representación esquemática de las distintas etapas de las que consta el proceso.

Dado que este proceso es más complejo que el de eliminación de nitrógeno, se ha considerado adecuado abordar una descripción más detallada del mismo, mediante la inclusión de las principales rutas metabólicas en las que está basado.

Las bacterias del género Acinetobacter constituyen el grupo de microorganismos más importante en este proceso. Estas bacterias en condiciones anaerobias no son capaces de degradar la materia orgánica pero tienen la capacidad de tomar la fracción que está en forma de ácidos grasos volátiles (AGV) en su medio extracelular y almace-

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tricarboxílicosCiclo ácidosFigura 5.

Ciclo del PHBFigura 4.

fósforopotenciada dede eliminaciónproceso aerobia del de la etapa esquemática RepresentaciónFigura 3.

fósforopotenciada deeliminación proceso de anaerobia della etapa esquemática deRepresentaciónFigura 2.

narla en el medio intracelular en forma de polihidroxialcanoatos (generalmente polihidroxibutiratos y polihidroxivaleriatos). En la figura 4 se muestra la ruta bioquímica en la que está basada la formación y destrucción del poliβhidroxibutirato (PHB).

La energía que necesitan para llevar a cabo esta operación la obtienen de las reservas de polifosfatos.Estos compuestos pueden ser transformados, prácticamente sin coste energético, en moléculas de ATP, molécula conocida por servir como transportador de energía para procesos biológicos. El poder reductor (NADH) que se necesita en el ciclo de formación de PHB se obtiene de los ciclos de los ácidos tricarboxílicos (TCA) y del ciclo del glioxilato, mostrados ambos en las figuras 5 y 6.

En la figura 7 se muestra la ruta bioquímica global del proceso.

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Los ácidos grasos volátiles se obtienen por la degradación anaerobia del sustrato orgánico complejo por parte de microorganismos acidogénicos.

En condiciones aerobias (e incluso en condiciones de anoxia), las bacterias acumuladoras consumen con un aceptor de electrones (oxígeno o nitratos) la materia orgánica almacenada (Kerrn-Jespersen, 1993), obteniendo así energía, parte de la cual almacenan en forma de polifosfatos (ruta metabólica de la figura 5). La cantidad de polifosfatos que se forman y acumulan en la etapa aerobia es superior a la de polifosfatos degradados en la etapa anaerobia, observándose una reducción neta del fósforo contenido en el agua residual.

Este proceso se ve favorecido en aguas con elevado contenido en AGV, así como por edades de fango bajas.

3.3. Eliminación de N y P por crecimiento celular –––––––––––––––––––––––––––––––

Asociada a la formación de tejido celular en el crecimiento microbiano, hay una eliminación parcial de

Aguas ResidualesTratamiento

procesoglobal del bioquímicaFigura 7. Ruta

del glioxilatoFigura 6. Ciclo

go bajas y temperaturas elevadas.verá favorecida para edades de fan-trógeno. Por tanto, la eliminación seorganismos es fósforo y el 12% ni-media el 2% del peso de los micro-miento microbiano, ya que comocuanto más favorecido esté el creci-eliminación serán tanto mayoresLos rendimientos obtenidos en esta

de nutrientes.ello, eliminan una cierta cantidadtén especialmente diseñados paramientos biológicos, aunque no es-do a este proceso todos los trata-del 10 al 25% en cuanto a P. Debi-lo del 10 al 30% en cuanto a N yesta eliminación está en el interva-Para un agua residual urbana típicaforo presentes en el agua residual.los compuestos de nitrógeno y fós-