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TEMA 5 Complemento 4 CALIDAD DE AGUAS EN ROS AUTODEPURACIN

Autor/es: J. Surez / N. Fernndez An

Fecha: Marzo - 2009

Asignatura: MODELOS DE CALIDAD DE AGUAS

Universidade da Corua

MASTER EN INGENIERA DEL AGUA


4.- DEMANDA BIOQUMICA DE OXGENO NITROGENADA 4.1.- IntroduccinLa importancia del nitrgeno es que es un elemento requerido por los seres vivos, es bigeno. El nitrgeno es el principal constituyente de las protenas, por lo que resulta fundamental para cualquier ser vivo. Su ciclo es gaseoso ya que el depsito es el nitrgeno El nitrgeno puede formar una variedad de compuestos debido a los diferentes estados de oxidacin que posee. En el medio ambiente la mayora de los cambios de una forma a otra se da por va biolgica. Las formas de nitrgeno de inters en el medio natural suelo/agua son:

Compuesto Amoniaco Ion amonio Gas nitrgeno Ion nitrito Ion nitrato

Frmula NH3 NH4+ N2 NO2NO3-

Estado de oxidacin -3 -3 0 +3 +5

El 99,3 % del nitrgeno se encuentra en la atmsfera, principalmente en forma de N2, mientras que tan solo el 0,0072 % forma parte de la biosfera, 0,0057 % forma parte de MO en el suelo y un 0,6 % est en disolucin en la hidrosfera. El amoniaco existe en equilibrio con el ion amonio, dependiendo este equilibrio del pH y la temperatura del medio. A pH prximos a la neutralidad habra muy poco amoniaco en el medio.

Las reacciones de las formas de nitrgeno pueden ocurrir a travs de varios mecanismos siendo los ms importantes: iendo Fijacin (biolgica, atmosfrica e industrial)Fecha: Marzo - 2009 Asignatura: MODELOS DE CALIDAD DE AGUAS





Amonificacin Sntesis Nitrificacin Desnitrificacin

Resumen de las asociaciones en la fijacin de nitrgenoSistema de fijacin de N2

Simbiosis

Asociacin

En vida libre

Fuente de energa C orgnico Estimacin del N fijado Kg//ha/ao

En la figura siguiente se representa el ciclo de nitrgeno aplicable a las aguas superficiales. Como se aprecia, el nitrgeno puede ser aportado: Desde la atmsfera: lluvia y dustfall Por escorrenta superficial Por entrada de aguas subterrnea o sub-superficial Por descarga o vertido de aguas residuales y/o de fangos de depuradoras

Adems, el gas nitrgeno de la atmsfera puede fijarse por ciertas algas verdiazuladas y algunas especies de bacterias. En el medio acutico pueden ocurrir: amonificacin, nitrificacin, sntesis y desnitrificacin. La amonificacin de la materia orgnica es realizada por microorganismos. El amonio as formado, junto con los nitratos, puede ser asimilado por las algas y otras plantas acuticas para sntesis. Si estos crecimientos, de algas y otras plantas acuticas, son excesivos pueden ocasionar problemas de calidad de aguas. Puede darse nitrificacin biolgica del amonio, que si es excesiva, podra provocar una cada de la concentracin de OD (la oxidacin de 1 ppm de N-NH4+ consumir 4.6 ppm de O2). La desnitrificacin produce nitrgeno gaseoso, que puede escapar a la atmsfera. Debido a que se requieren condiciones anxicas para la desnitrificacin, tanto el hipolimnion de losAutor/es: J. Surez / N. Fernndez An Fecha: Marzo - 2009 Asignatura: MODELOS DE CALIDAD DE AGUAS




lagos (capas bajas deficitarias en OD) como la capa de sedimentos de los ros o corrientes de agua y de lagos sern zonas importantes en cuanto a actividad desnitrificante.

Ciclo del nitrgeno en las aguas superficiales (EPA, 1993) Los excrementos humanos son responsables de una gran parte de la contaminacin de las aguas residuales urbanas. Los adultos producen del orden de 200 a 300 g de heces al da y del orden de 1 a 3 Kg de orina al da. Las heces representan del orden de 25 a 30 g/hab.da de DBO5 y la orina del orden de 10 g de DBO5/habda, que representan el 60% de los compuestos orgnicos que aparecen en las aguas residuales. Tambin los excrementos son una fuente importante de nutrientes. El 94% del nitrgeno orgnico del agua residual procede de ellos. De ese porcentaje el 50% proviene de la orina (urea), qu rpidamente se convierte por va aerobia o anaerobia en nitrgeno amoniacal. Como ya se ha dicho anteriormente, aproximadamente el 50% del agua residual procede de origen humano.


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Gggg Tema 6 - COMPLEMENTOS Pgina 5Tabla 1.- Composicin tpica de agua residual domstica bruta (Metcalf-Eddy, 1985) (todas la unidades en mg/L menos los Slidos Sedimentables)CONCENTRACIN CONSTITUYENTE SLIDOS TOTALES Disueltos (SD) SD fijos (SDF) SD voltiles (SDV) En Suspensin (SS) SS fijos SSF SS voltiles SSV SLIDOS SEDIMENTABLES (mL/L) DBO5 COT DQO NITRGENO (total como N) Orgnico Amoniaco libre Nitritos Nitratos FSFORO (total como P) Orgnico Inorgnico CLORUROS ALCALINIDAD (como CO3Ca) GRASA FUERTE 1200 850 525 325 350 75 275 20 400 290 1000 85 35 50 0 0 15 5 10 100 200 150 MEDIA 720 500 300 200 220 55 165 10 220 160 500 40 15 25 0 0 8 3 5 50 100 100 DBIL 350 250 145 105 100 20 80 5 110 80 250 20 8 12 0 0 4 1 3 30 50 50

Tabla 2.- Nitrgeno y fsforo aportado por habitante y da en las aguas residuales (Dewisme, 2001)PARMETRO Nitrgeno amoniacal NTK (Nitrgeno mtodo Kjeldahl) Fsforo (PO4 ) Detergentes=

DOTACIN (g/habd) 3 a 10 6.5 a 13 4a8 7 a 12


Fecha: Marzo - 2009






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En las aguas residuales casi siempre existe materia no carboncea, como el amonio que es producida durante la hidrlisis de protenas. Algunas bacterias auttrofas, o tambin llamadas bacterias del nitrgeno, son capaces de utilizar el oxgeno para oxidar este amonio a nitritos y luego a nitratos. La demanda de oxgeno causada por estas bacterias tambin es denominada demanda bioqumica de oxgeno nitrogenada (DBON) o segunda fase del proceso de la DBO. La progresin normal de ambas fases, DBOC y DBON se indica en la figura siguiente:


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Curva de la DBO mostrando el efecto de la fase carboncea y nitrogenada.

Inicialmente la velocidad de reproduccin de las bacterias del nitrgeno es baja, tardando generalmente en aparecer en torno a 6 o10 das cuando se realiza un ensayo de incubacin en el laboratorio. La presencia de nitrgeno en forma de nitritos o nitratos en un agua es un indicativo de que es agua vieja. Cuando se quiere conocer nicamente el efecto de la materia carboncea en el proceso de desoxigenacin de una corriente receptora es necesario inhibir el efecto de la materia nitrogenada. La neutralizacin de las bacterias nitrificantes se puede realizar por pasteurizacin, cloracin o por medio de agentes inhibitorios estos agentes son medio inhibitorios; generalmente, azul de metileno, thiourea y allylthiourea. Las relaciones existentes entre los diferentes formas de nitrgeno y la forma en como en como stas se van transformando se observa en la siguiente figura:

Cambios que ocurren en las diferentes formas del nitrgeno presente en aguas poluidas bajo condiciones aerbicas.Autor/es: J. Surez / N. Fernndez An Fecha: Marzo - 2009 Asignatura: MODELOS DE CALIDAD DE AGUAS




Como se anot anteriormente, en aguas recientemente vertidas la gran mayora del nitrgeno est en forma orgnica (protenas) o amoniacal. Con el transcurso del tiempo el nitrgeno orgnico es convertido gradualmente a nitrgeno amoniacal y posteriormente, si las condiciones aerbicas existen, ste es convertido a nitritos y luego a nitratos. La conversin del nitrgeno amoniacal a nitritos es realizado por las bacterias nitrosomonas, mientras que la realizada de nitritos a nitratos se encargan las bacterias nitrobacter. 2 NH3 + O2 2 NO2- + 2H+ +2H2O (Nitrosomonas) 2 NO2- +O2 2 NO3- (Nitrobacter) Se puede concluir que la presencia de nitrgeno oxidable en las aguas residuales que vierten a una masa de agua receptora consume el oxgeno de sta. La expresin que tradicionalmente se ha utilizado para simular el proceso de nitrificacin es una ecuacin de primer orden, anloga a la de la materia carboncea:

dN = K n .N dtSiendo N el nitrgeno oxidable total como suma del amoniacal y el orgnico. Este nitrgeno oxidable total se conoce como NOT o NTK. Para calcular la demanda de oxgeno resultante del proceso de nitrificacin, el NOT es usualmente multiplicado por 4,57, que son los gramos de oxgeno requeridos para oxidar un gramo de nitrgeno amoniacal a nitrato. Esta aproximacin es terica ya que algo de oxgeno puede ser obtenido de formas inorgnicas y las condiciones nutricionales de las clulas pueden cambiar. La formulacin matemtica de la DBON es muy similar por tanto, a la de la DBOC. Ya se coment que los dos procesos pueden estar desfasados en algunos das aunque tambin pueden ocurrir simultneamente. Para propsitos prcticos se puede asumir el efecto de las dos oxidaciones as:

Lnt = Lno .e KntL = Lo (1-e Kd t) + Ln0 (1-e Kn t)Siendo: Ln0= demanda ltima del nitrgeno (mg/L). Kn= constante de desoxigenacin que mide la velocidad a la cual se oxidan los compuestos del nitrgeno (da-1). Adems, hay que tener en cuenta los factores ambientales que afectan al proceso de nitrificacin, entre los que destacan: la temperatura, el pH, los slidos en suspensin, diversos parmetros hidrulicos y los depsitos bnticos de la corriente receptora.


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Influencia del pH sobre la nitrificacin.

En cuanto a la temperatura, la gran mayora de los investigadores han encontrado que entre 10 C y 30 C el efecto de la temperatura en la constante de Kn puede ser simulado tambin segn la ecuacin de Arrenius, oscilando los valores de entre 1.0548 y 1.0997. La temperatura ptima del proceso es aceptada entre 25 C y 28 C. La concentracin de slidos en suspensin en las aguas superficiales se ha comprobado tiene un efecto estimulante en la tasa de nitrificacin. Parece ser que las bacterias nitrific nitrificantes actan y crecen bien en las partculas suspendidas. Otros autores han encontrado que los fondos de las corrientes ofrecen buenos lugares para el crecimiento de las bacterias del nitrgeno, especialmente en lechos rocosos de corrientes poco profundos. La disponibilidad de oxgeno en el agua tambin es un factor que limita la nitrificacin.


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Tambin se ha comprobado que la nitrificacin se produce de forma intensa en las capas superiores de los sedimentos. Esta situacin se ha medido en los ros Trent y Tmesis en Inglaterra en donde el 80% de la nitrificacin ocurre en estas capas superiores.

4.2.- Modelos de simulacinAproximacin a travs del modelo terico general

Si los conumos de oxgeno se reflejan de la siguiente forma:

roa =3,43 g O /g N roi =1,14 g O /g Nron=roa+ roi =3,43+1,14 =4,57 g O /g N


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Aproximacin a travs de la f frmula de Streeter y Phelps

D = Do e

K 2t

x x K2 K1 Lo K1 U e e U + K 2 K1

K1 Lno + K K 2 n

x x K2 K n U e e U

4.3.-Valores de la tasa de desnitrificacin ValoresThomanMueller (1987) aportan tambin los siguientes valores de tasa de desnitrificacin, Mueller entre 0.1 y 0.5 d-1, y tambin citan que las nitrificacin se paraliza cuando la temperatura 1, ronda los 5-10 C.Resumen de valores de tasa de nitrificacin en medios acuticos (Bowiw et al., 1985).


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