LOS PROCESOS DE NITRIFICACIÓN Y DESNITRIFICACIÓN EN FANGOS ACTIVOS

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Las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) son las encargadas de depurar

las aguas para que cumplan con la legislación y los limites de vertido establecidos para el cauce

de agua receptor evitando así daños irreversibles en el ecosistema. Generalmente las EDAR

están compuestas por un tratamiento primario encargado de la eliminación de sólidos, un

tratamiento secundario en el que se producen procesos biológicos para la eliminación de

materia orgánica y nutrientes (nitrógeno y fósforo) y un tratamiento terciario encargado de la

desinfección (Catalán, 1997) (Figura 1).

(Figura 1)

El nitrógeno que contienen las aguas residuales generalmente se encuentra en forma de

amonio, urea, ácido úrico, proteínas, aminas y azúcares aminados y son en parte los

responsables de la eutrofización. En especial, es el amoniaco el que entraña un enorme peligro

para el ecosistema debido a su toxicidad y a que requiere una fuerte demanda de oxígeno para

el proceso natural de oxidación. Es por ello que los procesos de nitrificación y desnitrificación

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tienen enorme importancia dentro de los procesos biológicos que tienen lugar en el reactor

para la obtención de un efluente de calidad (Figura 2).

(Figura 2)

El proceso de nitrificación consiste en la oxidación secuencial aeróbica del amonio a

nitrito y luego a nitrato. Los organismos procariotas quimiolitótrofos bacterias amonio

oxidantes (AOB), Archaea amonio oxidantes (AOA) y bacterias nitrito oxidantes (NOB) son los

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encargados de catalizar estos dos pasos. El ciclo se completa con el proceso de desnitrificación

en el que los iones nitrito y nitrato son convertidos en al estado gaseoso N2 o N2O mediante las

bacterias desnitrificantes (Catalán, 1997).

Las bacterias nitrificantes viven en una gran variedad de hábitats, incluyendo agua

dulce, agua potable, aguas residuales, agua de mar, agua salobre y en el suelo. Los principales

géneros de bacterias nitrificantes en los fangos activos usan dióxido de carbono o carbono

inorgánico para la síntesis de material celular. Por cada molécula de dióxido de carbono

asimilado, aproximadamente 30 moléculas del ion amonio o 100 moléculas de nitrito deben ser

oxidadas. Debido a la gran cantidad de iones amonio y nitrito que son necesarios para asimilar

dióxido de carbono, las bacterias nitrificantes tienen una muy baja velocidad de crecimiento

(Gerardi, 2002). Las bacterias responsables de la nitrificación son:

Bacterias Amonio Oxidantes (AOB): Las AOB nitrificantes dentro de los fangos activos

son de la clase Betaproteobacterias. En la mayoría de las EDAR el amonio es oxidado

por las AOB del género Nitrosomonas mientras que el género Nitrosospira tiene un

papel de menor importancia para el tratamiento de aguas residuales (Daims et al.,

2009). En los flóculos y en la biocapa de los fangos activos, las Nitrosomonas

generalmente forman agregados celulares esféricos y compactos con un tamaño de

entre 10 y 50 µm, aunque en ocasiones pueden formar grupos más pequeños. Estudios

realizados por Matsumoto et al. (2010), respecto a la distribución de las AOB en el

flóculo, demostraron que se localizaban en los primeras 200 µm por debajo de la

superficie del gránulo.

Bacterias Nitrito Oxidantes (BNO): Las BNO forman cuatro grupos filogenéticos

distintos: Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus y Nitrospira (Mota et al, 2005), siendo las

predominantes en las EDAR las pertenecientes a los géneros Nitrospira y Nitrobacter

(Wagner et al., 1996; Mota et al., 2005). Las bacterias del género Nitrospira son de

crecimiento lento y forman agregados esféricos irregulares que contienen cientos o

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miles de células. Los diámetros de estos agregados van desde 10 hasta 100 µm. Las NOB

se encuentran entre unos 200 y 300 µm de profundidad, es decir a mayor profundidad

que las AOB. El género Nitrobacter parece desempeñar un papel menor en las EDAR con

concentraciones de nitrito medias. Sin embargo, hay presencia de Nitrobacter en

reactores que contienen elevadas concentraciones de nitritos. Esto puede deberse a

que las Nitrobacter prosperan en aguas con altas concentraciones de oxígeno y de

nitritos, al contrario de las Nitrospira que se adaptan mejor a bajas concentraciones de

nitrito y de oxígeno disuelto (Schramm et al., 1999).

El proceso de nitrificación en la depuración de aguas residuales es crítico debido a tres

factores clave:

� Las bacterias nitrificantes tienen una baja tasa de crecimiento. El crecimiento de

Nitrobacter es sensiblemente superior al crecimiento de Nitrosomonas.

� Los tóxicos inhiben del crecimiento por parte de los tóxicos.

� Las bacterias nitrificantes presentan una elevada sensibilidad a los cambios producidos

en el sistema.

Los factores que influyen en el proceso de nitrificación son:

Temperatura: A medida que disminuye la temperatura la tasa de nitrificación se reduce

siendo muy difícil la nitrificación a temperaturas inferiores a 10°C debido a que se inhibe

el crecimiento de Nitrobacter de forma más drástica que el de Nitrospira y por tanto se

produce una acumulación de iones nitrito (Gerardi, 2002). Esto lleva a tener que operar

a elevadas edades de fango para que el proceso sea efectivo (González et al., 2010). La

temperatura óptima para el proceso de nitrificación es de 30°C debido a que las

bacterias Nitrosomas tienen una tasa de crecimiento óptima.

Alcalinidad y pH: La tasa máxima de nitrificación se encuentra entre pH 7,2 y 9,0

mientras que por debajo de 6,5 la tasa disminuye drásticamente (González et al, 2010).

La alcalinidad disminuye durante el proceso de nitrificación debido a que la oxidación

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del amonio produce ácido nitroso y porque se generan iones hidrógeno e iones nitrito.

La nitrificación consume de forma real 6,5 g de CaCO3/g de N-NO3 producido, siendo el

valor teórico 7,14. Para que el proceso de nitrificación se desarrolle correctamente es

conveniente que el agua residual tenga suficiente alcalinidad como para que quede al

menos 100 mg/l de CaCO3 residual en el licor mezcla tras la nitrificación.

Oxígeno: La concentración de oxígeno disuelto es un factor limitante en el crecimiento

de las bacterias nitrificantes debido a que un déficit de oxígeno provocaría una

competencia por su disponibilidad con otros organismos aerobios. A concentraciones

elevadas el oxígeno se difunde a través del flóculo mejorando su accesibilidad a las

bacterias nitrificantes. La concentración óptima se encuentra entre 2 y 3 mg/l. Una

oxigenación deficiente (inferior a 2 mg/l de oxígeno disuelto) provocará una nitrificación

parcial.

Nutrientes: El crecimiento bacteriano se ve disminuido ante la falta de determinados

nutrientes como son: N, P, S, Ca, Mg, K, Cl, Fe (Madigan et al., 2009).

Amonio y nitrito: El crecimiento de las AOB y NOB sigue una cinética de Monod por lo

que dependen de las concentraciones de dichas especies químicas.

Relación DBO5/NTK: Si aumenta esta proporción disminuyen los organismos

nitrificantes. Según Bitton (2011) para el proceso combinado de eliminación de carbono

y nitrógeno la relación debe ser superior a 5 mientras que si los procesos se encuentran

por separado la relación debe ser superior a 3.

Sustancias tóxicas: Las bacterias nitrificantes son muy sensibles a los tóxicos. Las más

tóxicas, según Bitton, son: cianuro, fenoles, anilinas, tioureas, plata, mercurio, niquel,

cobre, cromo y zinc.

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Ejemplo. Cálculo de las necesidades de alcalinidad para el desarrollo del proceso de

nitrificación.

Un agua residual que presenta un NTK de 44 mg/l de los que el 85% son nitrificables,

¿qué consumo de alcalinidad presenta el proceso? ¿Qué alcalinidad debería tener el agua

residual en este sistema para que el proceso transcurra con normalidad?

Cantidad de N-NO3 producido: 44 mg/l�0,85 = 37,4 mg N-NO3/l

Consumo de alcalinidad: 37,4 mg/l�6,5 mg CaCO3/mg N-NO3 producido = 243

mg CaCO3/l

Como para que transcurra el proceso sin problemas deberían existir al menos unos 100

mg CaCO3/l residuales en el licor mezcla, el agua residual deberá tener por tanto una

alcalinidad de 343 mg CaCO3/l.

El proceso de desnitrificación se basa en una reacción heterotrófica que utiliza los

nitratos como aceptores finales de electrones en lugar de oxígeno. El nitrógeno es eliminado

como N2 a la atmósfera. Las reacciones de desnitrificación son similares a las aerobias

heterotróficas.

Muchas de las bacterias heterotróficas que oxidan aeróbicamente la materia orgánica (y

algunas autótrofas), en ausencia o baja concentración de oxígeno disuelto, pueden usar nitrato

como aceptor final de electrones, funcionando como desnitrificantes facultativas. Entre los

géneros conocidos de llevar a cabo la desnitrificación se encuentran: Pseudomonas,

Archromobacter, Alcaligenes, Bacillus, Hyphomicrobium, Chromobacterium, Halobacterium,

Moraxella, Micrococcus, Neisseria, Paracoccus, Azospirillum, Rhodopseudomonas, Proteus,

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Thiobacillus, Vibrio, Xanthomonas y Klebsiella. Los primeros cinco de estos géneros han sido

encontrados en las EDAR.

Las bacterias desnitrificantes tienen velocidades de crecimiento elevadas y edades de

fango mínimas, menores que las nitrificantes, siendo la edad mínima de 0,5 días a 20°C, y de 1,5

días a 10 °C según Stensel, et al. (1973). En la reducción del nitrato están involucradas tanto las

enzimas asimiladoras como las desasimiladoras. Por asimilación el nitrato es reducido a

amonio, el cual puede entonces ser usado para biosíntesis. Esta reacción ocurre sólo cuando no

hay disponible otra forma más reducida de nitrógeno (nitrito y amonio). La reducción de nitrato

por desasimilación transforma el nitrógeno del nitrato a nitrógeno gas (N2), el cual puede así ser

liberado de la solución. La reducción por desasimilación produce un decremento del nitrógeno

total del sistema más que en una transformación de su estado. La vía desasimiladora es muy

importante en la desnitrificación de las aguas residuales.

Las reacciones globales implicadas en los procesos de nitrificación y desnitrificación

vienen dadas en la Figura 3:

Figura 3

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El proceso de desnitrificación tiene una elevada importancia en el proceso general debido a

que:

� La recuperación de oxígeno es 2,86 mg O2/mg N-NO3 reducido. Se recupera del orden

del 65% del oxígeno consumido en la nitrificación.

� La recuperación de alcalinidad real es de 3,5 mg de CaCO3/mg de N-NO3 reducido,

siendo el valor teórico 3,57.

� La producción de biomasa es aproximadamente de 0,4 mg SSV/mg DQO eliminada.

Para que la desnitrificación transcurra correctamente se requiere la presencia de materia

orgánica y de nitratos que podrán aportarse por varias vías:

� Mediante una fuente externa de carbono, como metanol o acetato, a la zona de

desnitrificación del reactor (del orden de 2,5 a 3 mg de metanol por cada mg de

nitrato).

� Utilizando la DBO carbonosa del agua residual como fuente de carbono degradable

mediante la recirculación de una gran cantidad del efluente nitrificado hacia la

primera zona anóxica o desviando una parte del agua bruta o del efluente primario

hacia una zona del reactor que contenga nitratos.

� Utilizando el carbono endógeno presente en la masa celular.

Los factores que influyen en el proceso de desnitrificación son:

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Temperatura: A medida que aumenta la temperatura la tasa de desnitrificación

aumenta.

pH: El valor óptimo se encuentra alrededor de 7. La desnitrificación aumenta la

alcalinidad y por tanto provoca un aumento del valor de pH.

Presencia de oxígeno disuelto: Provoca la paralización de la reacción ya que la

velocidad de respiración de nitratos es mucho más lenta que la velocidad de respiración

aeróbica. Se supone que en condiciones de bajo oxígeno disuelto, el contenido de

oxígeno en el interior del flóculo del fango activo es nulo, a causa de la actividad

respiratoria de las bacterias. Como la velocidad de difusión de los nitratos es mayor que

la del oxígeno se pueden utilizar los nitratos en el flóculo y desnitrificar parcialmente. La

velocidad de desnitrificación tiende a ser nula cuando la concentración de oxígeno

disuelto alcanza 1 mg/l.

Ejemplo. Cálculo de la cantidad de alcalinidad recuperada en el proceso de desnitrificación.

Con los datos del ejemplo anterior de nitrificación y teniendo en cuenta que el sistema presenta

desnitrificación y se reducen unos 40 mg/l de nitrato, calcular la alcalinidad recuperada y el

balance de alcalinidad.

Recuperación de alcalinidad: 40 mg N-NO3/l�3,5 mg CaCO3/mg N-NO3 reducidos = 140

mg CaCO3/l

Balance total = Alcalinidad recuperada – Alcalinidad consumida = 140 – 243 = -103 mg

CaCO3/l

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Como para que transcurra el proceso sin problemas deberían existir al menos unos 100 mg

CaCO3/l residuales en el licor mezcla, el agua residual deberá tener por tanto una alcalinidad de

203 mg CaCO3/l.

Bibliografía:

� Gerardi, M. 2002. Nitrification and denitrification in the activated sludge process. Wiley-

Interscience. New York.

� Bitton, G. 2011. Wastewater Microbiology. Wiley-Liss. 5th Ed. University of Florida. USA

� Catalán, J. 1997. Depuradoras “Bases Científicas”. Librería editorial BELLISCO. Madrid

� Madigan, M.T. Biología de los microorganismos, 12 Ed. Pearson Addison Wesley. Madrid

Bioindicación: Gestión y control de proceso en EDAR. CIDTA.