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Eliminación autotrófica de nitrógeno

Eliminación autotrófica de nitrógenoEl nitrógeno es un contaminante presente en las aguas residuales el cual debe ser eliminado con anterioridad al vertido de éstas en los cursos superficiales de aguas. En caso contrario, el nitrógeno reduce el oxígeno disuelto de las aguas superficiales, es tóxico para el ecosistema acuático, entraña un riesgo para la salud pública y junto al fósforo son responsables del crecimiento desmesurado de organismos fotosintéticos (eutrofización). Todos estos factores hacen que la legislación sea cada vez más restrictiva en cuanto a los límites máximos permitidos para este parámetro.

La forma más comúnmente empleada para la eliminación del nitrógeno se basa en un doble proceso biológico de nitrificación y desnitrificación. En la primera etapa, la de nitrificación, el amonio es convertido primero en nitrito y éste, a su vez, en nitrato, mediante un consorcio de bacterias nitrificadoras que utilizan carbono inorgánico como fuente de carbono y obtienen la energía necesaria para su crecimiento de las reacciones químicas de la nitrificación. La segunda etapa, la de desnitrificación, consiste en la conversión del nitrato en nitrógeno gas, el cual se libera a la atmosfera. Esta conversión la llevan a cabo unas bacterias en condiciones anaerobias, las cuales utilizan el nitrato como aceptor final de electrones y la materia orgánica presente en el agua como fuente de carbono.

Aunque este proceso es ampliamente utilizado por su robustez y por su elevada eficacia, es cierto que presenta algún aspecto susceptible de ser mejorado. Por un lado, en la etapa de nitrificación es necesario que haya una cierta concentración mínima de oxígeno disuelto en el agua, hecho que supone un elevado consumo energético. Por otro lado, en el proceso de desnitrificación se consume materia orgánica, factor que obliga a disponer de una recirculación interna (más consumo energético) o bien la dosificación de una fuente de carbono externa cuando la existente en el agua residual no es suficiente.

La búsqueda de nuevas técnicas que permitan conseguir los resultados obtenidos por el proceso convencional pero con un menor consumo energético ha favorecido el desarrollo de nuevos procesos, entre los que se abre paso el de la nitrificación parcial o eliminación autotrófica de nitrógeno. Esta técnica se basa en la conversión del 50% del amonio en nitrito en una primera etapa; y posteriormente, en la segunda etapa, se produce la desnitrificación autotrófica, en la que las bacterias convierten el 50% del amonio restante y el nitrito producido directamente en nitrógeno gas, en condiciones anaerobias y sin consumir materia orgánica. Este proceso es conocido con las siglas ANAMMOX (anaerobic ammonium oxidation).

Las ventajas respecto del proceso convencional son considerables. Se reduce el consumo energético, porque sólo es necesario convertir a nitrito la mitad del amonio presente, a la vez que se elimina más nitrógeno, ya que el rendimiento de desnitrificación es del doble al reaccionar una molécula de amonio con otra de nitrito para obtener una de nitrógeno molecular. Además, al ser la desnitrificación un proceso autotrófico, no es necesaria una recirculación interna para aportar materia orgánica y, menor aún, un aporte externo de materia orgánica. Finalmente, la biomasa generada en el proceso ANAMMOX es menor que la producida por los procesos convencionales, disminuyendo considerablemente los costes de operación y de tratamiento de lodos.

El proceso ANAMMOX es especialmente competitivo en relación al proceso convencional en todos aquellos casos en los que la relación carbono-nitrógeno (C/N) en el agua es desproporcionada respecto a la óptima para el crecimiento de los microorganismos. Un ejemplo de relación carbono-nitrógeno descompensada se encuentra en los retornos de la línea de fangos en plantas que disponen de digestión anaerobia. Este proceso produce un incremento del contenido de amonio soluble por la hidrólisis del nitrógeno orgánico. En cambio, el contenido de materia orgánica en los retornos es muy bajo, por lo que la relación carbono-nitrógeno no es la óptima para el crecimiento microbiano. Para tratar los retornos con un esquema básico sería indispensable la adición de materia orgánica externa (metanol o acetato); en cambio, para el proceso ANAMMOX se dan las condiciones óptimas: elevada concentración de nitrógeno y baja concentración de materia orgánica. Otros casos en los que el proceso ANAMMOX constituye una alternativa aventajada son el tratamiento de los lixiviados de vertedero, de los purines de cerdo o los efluentes de las empresas que se dedican a las conservas de pescado.

En contrapartida, el crecimiento de las bacterias ANAMMOX es muy lento, lo que supone un inconveniente práctico a la hora de enriquecer la biomasa en bacterias ANAMMOX para una aplicación industrial.

Así pues, existen alternativas competitivas al proceso biológico de nitrificación-desnitrificación convencional, especialmente en aquellos casos en los que la concentración de nitrógeno es elevada y la concentración de carbono baja, como es el caso de los efluentes de los procesos de digestión anaerobia, lixiviados de vertedero, purines de cerdo, etc. Las ventajas principales son la reducción del consumo energético, así como el hecho de no tener que aportar una fuente de carbono externa cuando no hay suficiente materia orgánica en el agua.

Conversión del amonio en nitrógen

En la figura, se representa de color azul la secuencia de conversión del amonio en nitrógeno gas que se produce en el proceso convencional. De color rojo, el proceso ANAMMOX cortocircuita el esquema convencional, lo acorta ahorrando oxígeno y materia orgánica.

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