El nitrgeno y el fsforo son esenciales para todos los organismos vivos, son parte fundamental de las molculas como protenas y cidos nucleicos y nutrientes indispensables en el crecimiento de organismos fotosintticos.

En la qumica del agua, los compuestos del nitrgeno y del fsforo representan un papel muy importante puesto que son ellos los verdaderamente responsables del crecimiento de los organismos animales y vegetales en el medio acutico. En condiciones normales estos compuestos provienen fundamentalmente de la degradacin de la materia orgnica muerta, pero en condiciones del medio alteradas, los aportes adicionales proceden mayoritariamente de vertidos residuales urbanos y de ciertas instalaciones industriales, as como del uso creciente de fertilizantes y pesticidas en la agricultura.

Por este motivo, los vertidos de compuestos nitrogenados y fosfatados deben reducirse paulatinamente, tanto en industrias como en la agricultura y ganadera. Por ello, en las estaciones depuradoras de aguas residuales se contempla eliminar estos compuestos.La eliminacin de nitrgeno se basa en dos procesos combinados de nitrificacin y desnitrificacin que conllevan una produccin de fango en forma de biomasa fcilmente decantable.

En la siguiente tabla se muestran las reacciones que describen los procesos de eliminacin del nitrgeno de las aguas residuales urbanas.

En un efluente de aguas residuales urbanas, el nitrgeno se presenta principalmente como nitrgeno orgnico o amoniacal (20% de la DBO5) y, en una proporcin muy inferior, nitritos y nitratos. En los dos primeros casos, para su eliminacin, el nitrgeno reducido se convierte en nitrito (nitrificacin) y, posteriormente, en nitrato, todo ello en presencia de oxgeno. Posteriormente, mediante una reaccin de descomposicin anaerobia de la materia orgnica (desnitrificacin) en la que se toma el oxgeno de los nitratos, se produce nitrgeno gas, que es eliminado y, un fango decantable con alta proporcin de materia orgnica oxidada.

El proceso de nitrificacin se realiza mediante la accin oxidante de las bacterias Nitrosomas y Nitrobcter, que requieren a su vez la presencia en el medio de las siguientes condiciones mnimas para su desarrollo; fango con edad superior a 10-12 das con cargas msicas bajas, tiempo mnimo de retencin en aireacin de 6 horas a caudal medio y pH medio o ligeramente bsico. Por otro lado, la desnitrificacin requiere la ausencia de oxgeno, pH ligeramente bsico, tiempo mnimo de retencin en anaerobiosis y una concentracin de carbono orgnico no decantable que asegure una proporcin aproximada 1:3 sobre el nitrgeno a eliminar. Esta ltima demanda supone como mximo el 40% de la DBO del efluente, por lo que debe asegurarse su presencia para poder eliminar la cantidad mxima de nitratos.

En las depuradoras se emplean diversos mtodos para la desnitrificacin basados todos ellos en dos procesos; uno primero en presencia de oxgeno para la nitrificacin y un segundo en ausencia de oxgeno para la desnitrificacin. La diferencia entre los distintos mtodos es la construccin de varios reactores o uno combinado, con mayor o menor recirculacin parcial de los nitratos producidos en la fase de aireacin posterior, etc. variaciones encaminadas a incrementar el rendimiento del proceso.

Por otra parte, el fsforo, que supone el 3-6% de la DBO del efluente en una concentracin de 8-15 ppm, se encuentra como fsforo orgnico, polifosfato orgnico e inorgnico y ortofosfato. El primero es insoluble y, por degradacin biolgica, se transforma en fosfato

Instalaciones de desnitrificacionsoluble en forma de in ortofosfato (PO43-), y el segundo, se convierte en ortofosfatos mediante hidrolizacin en solucin acuosa.

La eliminacin del fsforo puede realizarse de dos formas, qumica y biolgicamente. En ambos casos, el fsforo insoluble, aproximadamente el 10% del fsforo total, es eliminado en la decantacin primaria y, posteriormente, en la secundaria, se eliminarn los ortofosfatos (15-20% del fsforo total) incorporados a las clulas del fango activado El mtodo qumico consiste en adicionar sales de hierro, aluminio o calcio con el objetivo de obtener fosfatos e hidrxidos de fsforo que decantan rpidamente. Por otro lado, los mtodos biolgicos de eliminacin de fsforo, que tienden a desplazar a los qumicos, se basan en la circulacin alternativa de los microorganismos presentes a travs de condiciones aerobias y anaerobias.

En la descomposicin anaerobia de la materia orgnica contenida en las aguas residuales urbanas, se producen una serie de cidos voltiles grasos que son empleados por bacterias defosfatantes para transformar los polifosfatos presentes en fosfatos disueltos. Posteriormente, en medio aerobio, la materia orgnica se mineraliza y el fsforo es reabsorbido por las clulas en una cantidad considerablemente mayor que la liberada en la zona anaerobia, por lo que el contenido en fsforo de los fangos decantables aumenta un 5-7%.

Este desarrollo terico se consigue en la prctica en procesos de fangos activos y en lneas de eliminacin de nitritos y fosfatos diseadas al efecto en la que se combinan, como se mencion anteriormente, etapas aerobias y anaerobias.

En la prctica, sea cual sea el mtodo empleado en la depuradora de aguas residuales, es preciso eliminar tanto los compuestos nitrogenados como los fosfatados para cumplir con los parmetros de vertido establecidos en la Directiva Comunitaria de 21 de Mayo de 1991 incluidos en la siguiente tabla.

1 NITRIFICACIN DESNITRIFICACIN

Los procesos de nitrificacin y desnitrificacin que se llevan a cabo en la depuracin de aguas residuales son sistemas copiados de la naturaleza. Consiste en crear el ambiente adecuado para que bacterias de distinto tipo pasen el nitrgeno inorgnico y orgnico que hay en el agua residual a nitrgeno gaseoso (N2) que se desprende hacia la atmsfera. Este proceso se divide en dos etapas (Nitrificacin aerobia y Desnitrificacin anaerobia).

Antes de comentar nada, tenemos que conocer que las especies qumicas principales que contienen nitrgeno y que se encuentran disueltas en las aguas las podemos dividir en cuatro grupos:-Sustancias orgnicas nitrogenadas procedentes de la descomposicin de materia orgnica,- NH4+(amonio), que en ambientes alcalinos se encuentra como NH3(amoniaco)-Nitratos (NO3-), por oxidacin de los anteriores, procedentes de abonos. etc.-Nitritos (NO2-), que suelen pasar a nitratos fcilmente.

El contenido de nitrgeno en las aguas residuales urbanas suele ser de origen domstico y est compuesto principalmente por nitrgeno orgnico y nitrgeno amoniacal (NH3, NH4+) siendo poco abundantes el resto de especies qumicas de nitrgeno. Se puede encontrar nitratos o compuestos nitrogenados de origen industrial cuando el agua residual recoge vertidos industriales, aguas pluviales de la ciudad, de escorrenta agrcolas, etc.

En la siguiente tabla se especfica la concentracin tpica y porcentaje de nitrgeno en aguas residuales de origen domstico de contaminacin alta, media y baja (segn Metcalf-Eddy).

Como vemos, prcticamente todo el nitrgeno suele estar en modo reducido como nitrgeno orgnico y nitrgeno amoniacal. El vertido en estas condiciones hace que los medios receptores acten como depuradores o eliminadores del nitrgeno. Para ello, el nitrgeno tiene que pasar a estado de nitrito y nitrato (NITRIFICACIN) antes de ser eliminado como nitrgeno gas (N2) (DESNITRIFICACIN).El vertido de nitrgeno a los cauces pblicos en el agua residual es perjudicial por dos motivos:

1)En la fase de nitrificacin se consume mucho oxgeno del que hay disuelto en el agua. Si se vierte mucho nitrgeno amoniacal a un medio acutico, puede ocurrir una nitrificacin que agote el oxgeno del agua y cause la asfixia y muerte de los peces y seres vivos que necesitan oxgeno para vivir.

2)El nitrgeno como in nitrato obtenido tras la nitrificacin tambin puede ser un factor desencadenante de eutrofizacin, como ya vimos en otra entrada anterior.

FASES DE NITRIFICACIN - DESNITRIFICACIN

En primer lugar y antes de la fase de nitrificacin, el nitrgeno tiene que estar disponible en forma amoniacal. Para ello ocurre una descomposicin enzimtica donde los aminocidos, cidos nucleicos, aminoazcares, etc. pasan a la forma amoniacal NH4+(NH3en medios bsicos) por actuacin de bacterias saprofitas (Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, etc.) y hongos.

Despus de esto y con las condiciones adecuadas tiene lugar la Fase 1 - Nitrificacin en condiciones aerobias y posteriormente la Fase 2 Desnitrificacin que tiene lugar en ausencia de oxgeno.

Fase 1 NITRIFICACIN.

La nitrificacin la producen bacterias auttrofas aerobias que como se puede ver en el esquema siguiente la podemos dividir en dos etapas. La primera de oxidacin hasta nitrito (NO2-) y la segunda etapa en la que ocurre la oxidacin hasta nitrato (NO3-).

Una vez el amoniaco est en la forma amoniacal empezara la oxidacin biolgica del amoniaco por accin de las bacterias nitrificantes (Nitrosomonas, Nitrosococcus, etc. ) hasta NO2-. Para ello necesitan fuente de nutrientes (C,N,P,etc.) y alta disponibilidad de oxgeno no solo porque se necesita para oxidar el NH4+(por cada gramo de amonio se necesitan 3,55 gramos de oxgeno), sino porque se den las condiciones aerobias en las que las bacterias nitrificantes tiene que crecer.

En la siguiente etapa se produce la oxidacin del nitrito (NO2-) hasta nitrato, tambin en condiciones aerobias por otro tipo de microorganismos como Nitrobacter, Nitrococcus, etc.

Las condiciones ideales de concentracin de oxgeno disuelto para la nitrificacin es superior a 1,0 mg/l.El pH ptimo es entre 7,5 y 8,5.

Fase 2 DESNITRIFICACIN

La desnitrificacin ocurre cuando se dan condiciones anxicas y los microoganismos facultativos que hay en el medio utilizan el oxgeno que poseen los nitratos, obtenindose nitrgeno molecular (N2) que pasa a la atmsfera.

Las condiciones ideales de concentracin de oxgeno disuelto para la desnitrificacin es inferior a 0,2 mg/l.El pH ptimo es entre 7,0 y 8,5.

DESTINO DEL NITRGENO EN EL PROCESO

De forma aproximada se puede decir que el destino del nitrgeno en el proceso de nitrificacin-desnitrificacin es el que se describe a continuacin.

En la fase 1 de NITRIFICACIN, el in amonio (NH4+) es asimilado como tal en la sntesis del material bacteriano, pero en pequea proporcin respecto al que pasa finalmente a in nitrato. Aproximadamente el 95,5 % del NH4+se convierte en nitrato y el resto (4,5 %) es asimilado o es aprovechado en la formacin de las bacterias, forma parte del tejido bacteriano.

En la siguiente fase 2 de DESNITRIFICACIN, el 93 % aproximadamente del nitrato formado en la fase 1 es transformado en N2(gas) que pasa a la atmsfera y el 7 % restante es asimilado por las bacterias desnitrificantes en sus tejidos.

Como podemos ver en el cuadro resumen siguiente, de cada 100 partes de nitrgeno en forma de NH4+que entran en el proceso de Nitrificacin-Desnitrificacin, 88,8 partes se liberan a la atmsfera como N2y 11,2 partes (4,5 en nitrificacin y 6,7 en desnitrificacin) son asimiladas en la formacin de tejidos de nuevas bacterias.

Nos vemos en las siguientes entradas sobre Nitrificacin-Desnitrificacin.