Estudio sobre la nitrificación en las aguas residuales

por Dan McKeaton, químico, Aquafix Inc.

Resumen

Los organismos quimioautótrofos, como las bacterias nitrificantes, producen energía mediante la oxidación de compuestos inorgánicos como el amoníaco y el nitrito. Este proceso tiende a ser significativamente menos eficiente para la producción de energía en comparación con los métodos heterótrofos de producción de energía. Debido a este hecho, las bacterias heterótrofas tienden a dominar toda la eliminación de nutrientes hasta que los niveles de DBO en un sistema de aguas residuales son muy bajos y los niveles de oxígeno disuelto aumentan. Además, las bacterias nitrificantes siempre están presentes en concentraciones más bajas y tienen menor diversidad que las bacterias heterótrofas.

Por lo general, se cree que las bacterias nitrificantes constituyen entre el 0,39% y el 9% de las poblaciones bacterianas de los lodos activados (Yao & Peng, 2017). La mayoría de los sistemas de lodos activados nitrificantes tienen entre un 4 % y un 6 % de bacterias nitrificantes (Yao y Peng, 2017). Esta menor población, tasa de crecimiento y diversidad hace que sea mucho más probable que una planta de aguas residuales saludable tenga alteraciones que conduzcan a una eliminación deficiente de amoníaco en lugar de una eliminación deficiente de DBO. Las tasas de duplicación de nitrificantes suelen estar entre 22-48 horas (dependiendo de las condiciones), mientras que las tasas de duplicación de heterótrofos suelen estar entre 20-30 minutos (Leech, 2019). Aumentar la población de bacterias nitrificantes mediante productos suplementarios como VitaStim Nitrifiers es la forma más rápida de mejorar la nitrificación en las plantas de aguas residuales.

Resultados

Debido a la fragilidad de las bacterias nitrificantes en comparación con las bacterias heterótrofas de las aguas residuales, Aquafix Inc. ha trabajado frecuentemente con operadores que han luchado por mantener la nitrificación en sus sistemas de aguas residuales y ha desarrollado nuestros propios cultivos de bacterias nitrificantes, los VitaStim Nitrifiers. El objetivo de este documento es proporcionar información general sobre las bacterias nitrificantes, los parámetros operativos ideales para el crecimiento de nitrificantes y los resultados de las pruebas de laboratorio y de campo de nuestros VitaStim Nitrifiers.

La nitrificación es uno de los dos mecanismos principales de eliminación del amoníaco en los sistemas aerobios de aguas residuales. La nitrificación es un proceso de dos pasos realizado por dos categorías de bacterias, las oxidantes de amoníaco y las oxidantes de nitrito. Las bacterias oxidantes del amoníaco (AOB) convierten el amoníaco en nitrito a través de la vía de oxidación del amoníaco. A continuación, las bacterias oxidantes del nitrito (NOB) convierten el nitrito en nitrato.

Se cree que la oxidación del amoníaco y la oxidación del nitrito tienen lugar utilizando varias enzimas diferentes. La oxidación del amoníaco comienza por la enzima amoníaco monooxigenasa (AMO) que cataliza una reacción del amoníaco a NH2OH, que luego se transporta fuera de la célula donde el NH2OH se convierte en nitrito mediante la enzima hidroxilamina oxidorreductasa (HAO) (Costa, 2006). A continuación, el nitrito se convierte en nitrato mediante una reacción catalizada por la enzima nitrito oxidorreductasa. Estas reacciones proporcionan la energía necesaria para que los nitrificantes crezcan y se reproduzcan.

Las bacterias nitrificantes están cada vez mejor caracterizadas, pero a menudo se descubren más especies capaces de nitrificar. Tradicionalmente se ha considerado que Nitrosomonas (AOB) y Nitrobacter (NOB) son las principales bacterias nitrificantes presentes en los sistemas de aguas residuales, pero cada vez hay más pruebas de que esto no es necesariamente así. Diferentes bacterias nitrificantes tienden a predominar en diferentes condiciones. Esto significa que las diferentes plantas de aguas residuales tienden a tener poblaciones muy diferentes de bacterias nitrificantes en función del tipo de planta, las condiciones de funcionamiento y la composición de las aguas residuales. Algunos géneros de nitrificantes comúnmente estudiados son las bacterias oxidantes del amoníaco Nitrosococcus , Nitrosospira , Nitrosolobus y Nitrosovibrio. Algunos géneros comúnmente estudiados de bacterias oxidantes de nitrito incluyen Nitrospira , Nitrospina, y Nitrococcus.

Pruebas de laboratorio de los nitrificadores Aquafix Dynamic Duo

Aquafix realiza pruebas continuas y estudios de casos para confirmar la eficacia de nuestros productos nitrificantes. Es importante tener en cuenta que los resultados de laboratorio y los resultados de campo varían ampliamente dependiendo de la razón de la pérdida de nitrificación, el tipo de sistema presente y las condiciones ambientales.

Nuestras pruebas de absorción de amoníaco consisten en añadir una dosis de nuestros nitrificantes VitaStim a un medio de crecimiento nitrificante. Las pruebas se realizan con luz limitada para evitar la fotoinhibición de los nitrificantes en una placa de agitación orbital ajustada a 90 RPM en matraces Erlenmeyer de 500 mL que contienen 100 mL de nuestro medio nitrificante.
que contienen 100 ml de nuestro medio nitrificante. El amoníaco, el nitrito y el nitrato se miden diariamente. El pH se mantiene aproximadamente en 7,5 con el uso de rojo de fenol como indicador de pH en nuestra instalación y mediante la adición manual de carbonato sódico y ácido clorhídrico como valorantes. Las pruebas, en este caso, se realizaron en nitrificantes que se almacenaron en el frigorífico durante aproximadamente 6 meses después del crecimiento para determinar si los nitrificantes permanecen activos después de este período. Los reactores de nitrificantes se ejecutaron por triplicado, mientras que los reactores de control (sin nitrificantes) se ejecutaron por duplicado.

Nuestras pruebas de absorción de amoníaco (Figura 1) ilustran cómo se produce normalmente el crecimiento de los nitrificantes en un cultivo controlado. El amoníaco se convierte en nitrito y después en nitrato. Como esta prueba utiliza un medio a base de agua del grifo sin carbono ni crecimiento heterótrofo, la variación del pH tiende a provocar un crecimiento lento de los nitrificantes y de los oxidantes de nitrito. Esta prueba confirmó que después de 6 meses en refrigeración, los nitrificantes seguían siendo capaces de eliminar el amoníaco en una solución. También confirma la presencia de bacterias nitrificantes (AOB y NOB) en nuestros cultivos de nitrificantes basándose en la acumulación de nitrato.

Pruebas de los nitrificadores Aquafix VitaStim: Recuperación de la toxicidad

Esta prueba fue diseñada para evaluar si los nitrificantes VitaStim eran eficaces para reducir los niveles de amoníaco en nuestros reactores de laboratorio de aguas residuales después de un evento tóxico que conduce a la pérdida de nitrificación. Las pruebas se realizaron en matraces Erlenmeyer de 500 mL en una placa agitadora orbital ajustada a 160 RPM a temperatura ambiente (22°C). El licor mezclado y el influente de aireación utilizados en las pruebas procedían de una instalación lechera local. El influente de aireación procedía de dos fuentes: un vertido de residuos de baja resistencia y el efluente de la sección anaeróbica del sistema que trata los residuos de alta resistencia de la instalación.

El afluente se esterilizó en autoclave para evitar el crecimiento de bacterias a lo largo de las pruebas en las muestras de afluente. El efluente de alta resistencia y el afluente de baja resistencia se mezclaron con agua del grifo declorada para producir una corriente residual que contenía 450 ppm de DQO y 40 ppm de amoníaco. Los reactores se prepararon inicialmente diluyendo el MLSS a 2000 ppm con agua del grifo declorada, decantando el 50% del volumen total del reactor y rellenando el 50% del volumen con nuestra mezcla de influente. Los matraces se alimentaron de esta manera diariamente durante la duración de la prueba. El pH en esta prueba se midió y ajustó diariamente a 7,3 (+/- 0,1).

Los reactores funcionaron durante 2 días, después se administró una toxina, amina cuaternaria, a 10 ppm el día 3 de la duración de la prueba. Se añadieron VitaStim Nitrifiers a la mitad de los reactores 2 días después (día 5) en una dosis única de 20 ppm, junto con 1 ppm de VitaStim Ammonia Assimilator. Tanto el reactor de control como el de nitrificantes se utilizaron por triplicado y se calculó la media. Las pruebas se realizaron hasta que se observó una eliminación completa de amoníaco tanto en los controles como en los reactores nitrificantes.

La figura 2 ilustra que la adición de nitrificantes pudo acelerar la recuperación de la eliminación de amoníaco. En este caso, Dynamic Duo se añadió el día 5 y la eliminación completa de amoníaco se consiguió en aproximadamente un tercio del tiempo que tardaron los controles en recuperarse totalmente. En condiciones más adversas en el campo (mayor amoníaco en el efluente, temperaturas más frías, variaciones en las tasas de carga), la recuperación completa de la eliminación de amoníaco probablemente tardaría más tiempo en producirse, tanto con nitrificantes añadidos como con nuestros controles, en comparación con este estudio de laboratorio, como se ilustrará en nuestros estudios de casos incluidos.

Caso práctico 1: Vertido de gasóleo en el sistema municipal de Pensilvania

Esta EDAR municipal tiene un caudal de 318.000 GPD. La DBO entrante suele rondar las 220 ppm y el amoníaco entrante puede estar entre 23-32 ppm. Esta planta contiene dos SBR de 334.000 galones (llenos) que decantan hasta 279.000 galones (aproximadamente el 16% del volumen) 4,5 veces al día de media. En este sistema, a principios de noviembre se produjo un vertido accidental de unos siete bidones de 55 galones de gasóleo a la instalación de aguas residuales. El sistema se limpió rápidamente, pero los niveles de amoníaco en el efluente de la planta aumentaron en noviembre y siguieron subiendo en diciembre. La reconstitución de la población de nitrificantes fue excepcionalmente difícil, ya que la temperatura en el interior de ambos SBR era de unos 13°C. A principios de enero, el nivel de amoníaco en el efluente de ambos SBR era de unas 6 ppm, que era también el límite de amoníaco en el efluente de la planta. En ese momento, los SBR contenían un MLSS de aproximadamente 2.700 ppm en ambos reactores. Esta instalación comenzó a alimentar Dynamic Duo a razón de 1 galón por SBR durante la primera semana de enero. Al final de la semana, los niveles de amoníaco habían vuelto a los 0,2-0,3 ppm habituales en el efluente de aguas residuales.

Caso práctico 2: Sistema de limpieza de barcazas de aguas residuales en Texas

Este sistema industrial de lodos activados con tres biorreactores trata de 80.000 a 100.000 galones de aguas residuales de limpieza de barcazas al día. Los biorreactores están dispuestos en secuencia con dos reactores discontinuos de nitrificación. El primer reactor de nitrificación suele tener 250 ppm de amoníaco entrante, que se reduce a unas 25 ppm. El segundo suele reducir aún más los niveles de amoníaco hasta aproximadamente 1 ppm. La planta experimentó una pérdida de nitrificación, que se pensó que estaba causada por la toxicidad. El amoníaco en el efluente de la planta aumentó de 1 ppm a 25 ppm. Dynamic Duo se aplicó diariamente durante un tratamiento de 10 días a razón de 3,5 onzas diarias de nitrificantes al primer reactor. Los niveles de amoníaco se recuperaron al cabo de 10 días hasta alcanzar las 1 ppm observadas normalmente en el efluente de la planta.

Caso práctico 3: Bloqueo por nitrito en un matadero de cerdos de Iowa

El bloqueo por nitrito describe una acumulación de nitrito causada por la incapacidad de las bacterias que oxidan el nitrito de mantener los niveles de nitrito producidos por sus homólogas que oxidan el amoníaco. Esta acumulación también puede inhibir la eliminación de amoníaco. Esto puede ocurrir a menudo en industrias con altos niveles de amoníaco entrante.

Este caso se produjo en una instalación de sacrificio de cerdos con dos lagunas anaerobias seguidas de un proceso de lodos activados con un gran tanque de aireación de 1,8 millones de galones con un tiempo de retención hidráulica de 2 días (flujo de 900.000 GPD). Las aguas residuales que entran en el tanque de aireación contienen niveles bajos de DBO (30-40 ppm normalmente), pero altos de amoníaco (200 ppm de amoníaco entrante). El amoníaco en el efluente de aireación suele estar por debajo de 1 ppm, con niveles de nitrito por debajo de los límites de detección. A principios de octubre, esta planta experimentó una carga superior a la habitual, lo que provocó un descenso del pH a 6. Además, un error dejó un vertido de desechos en la planta de tratamiento de aguas residuales. Además, un error dejó encendida una bomba de decantación durante 24 horas, lo que provocó una pérdida significativa de sólidos. Inicialmente, el amoníaco alcanzó 5,86 ppm, pero volvió a la normalidad en un día sin tratamiento. Sin embargo, los niveles de nitrito en la cuenca subieron a unas 45 ppm. La instalación comenzó añadiendo 2 galones de Dynamic Duo, y después de 1 día sus niveles de nitrito disminuyeron a 7,7 ppm. Un cambio de temperatura la noche siguiente hizo que los niveles de nitritos en el sistema volvieran a aumentar hasta 32 ppm. A medida que continuaba el tratamiento, los niveles de nitrito descendieron a 7,5 ppm después de 1 día más de tratamiento y se recuperaron a 0,199 ppm de nitrito en el efluente después de 3 días más.

Condiciones de funcionamiento importantes para las nitrificadoras

La nitrificación se convierte en la principal forma de eliminación de amoníaco una vez agotados los niveles de DBO. El amoníaco se libera a menudo en la descomposición de la urea, pero también aparecerá en cantidades menores debido a la degradación de proteínas y otras moléculas que contienen nitrógeno. Las formas orgánicas de nitrógeno, como los aminoácidos y las proteínas, tienden a ser formas de nitrógeno favoritas para las bacterias heterótrofas. Esto significa que en los sistemas de tratamiento de aguas residuales suele haber un exceso de amoníaco que debe ser oxidado por nitrificantes para alcanzar los límites de amoníaco en los efluentes. En los casos de pérdida de nitrificación, este exceso de amoníaco es el que se observa en los vertidos.

En los sistemas de tratamiento de aguas residuales, los nitrificantes tienden a ser peores formadores de flóculos que los organismos heterótrofos debido a su menor producción de sustancias poliméricas extracelulares (EPS). Esto significa que una adecuada formación de flóculos por bacterias heterótrofas conduce a poblaciones de nitrificantes más estables, ya que las EPS generadas por los heterótrofos ayudan a anclar los nitrificantes en un sistema de aguas residuales.

Como se ha mencionado anteriormente, diferentes tipos de bacterias nitrificantes pueden tolerar y prosperar a pesar de variaciones significativas en las condiciones ambientales y operativas. Varias consideraciones operativas pueden mejorar la diversidad de nitrificantes y mantener una mayor población de nitrificantes para minimizar el riesgo de perder nitrificación.

1. Tiempos de retención

Normalmente, se recomienda un TRH superior a 10 horas para la nitrificación y un TRCM superior a 8 días se considera ideal para mantener una población nitrificante adecuada. Esto suele llevar más tiempo en sistemas con condiciones adversas, lo que lleva a los operadores a aumentar el TRM durante condiciones adversas como las bajas temperaturas. Si el TRH es demasiado corto, los nitrificantes no tendrán tiempo suficiente para realizar la eliminación de amoníaco después de que los heterótrofos hayan terminado la eliminación de DBO. Si el TRM es demasiado corto, se eliminarán demasiados nitrificantes del sistema para permitirles mantener una población. Tenga en cuenta que si el MCRT es demasiado alto, se producirá una floculación pobre y un crecimiento filamentoso. A menudo se recomienda mantener un MLSS por encima de 2000 para proteger adecuadamente a los nitrificantes de condiciones adversas y mantener una población de nitrificantes que pueda soportar factores estresantes como los cambios de temperatura (Gererdi, 2002).

2. Temperatura

Las nitrificantes prefieren un intervalo de temperatura entre 15 y 30 °C. Las nitrificantes tienen problemas para crecer lo suficientemente rápido como para mantener una población por debajo de 15 °C, y a veces tienen problemas con niveles bajos de oxígeno disuelto por encima de 30 °C, ya que la solubilidad del oxígeno disminuye a temperaturas más altas. Se han registrado nitrificantes que funcionan eficazmente fuera de este intervalo de temperaturas, ya que la población bacteriana suele ser capaz de aclimatarse a temperaturas variables. Los cambios rápidos de temperatura también tienen efectos adversos significativos en la nitrificación, ya que los nitrificantes son incapaces de ajustarse rápidamente debido a sus lentas tasas de crecimiento. En un estudio reciente (Knight, 2019) se han observado nitrificantes funcionando a más de 35 °C (hasta 52 °C), lo que se había considerado casi imposible.

3. Oxígeno disuelto

Los nitrificantes en las plantas de aguas residuales funcionan de forma óptima cuando el oxígeno disuelto está presente entre 2-3 ppm. La razón principal de esto es que el OD en los sistemas de aguas residuales tiende a mantenerse alrededor de este punto para una actividad aeróbica efectiva. Se sabe que algunas especies de nitrificantes prosperan muy por debajo de 1 ppm de OD, y muchos nitrificantes presentes en ambientes acuáticos naturales prefieren niveles más altos de OD ya que sus ambientes suelen tener niveles muy bajos de DBO. Debido a estos factores, si se resiembra una población nitrificante, es importante utilizar nitrificantes que estén aclimatados a los niveles de OD de una planta de tratamiento de aguas residuales típica. Los nitrificantes utilizados para otras aplicaciones, como los acuarios, pueden no ser tan eficaces en los sistemas de aguas residuales debido a su preferencia por niveles más altos de oxígeno disuelto.

4. Alcalinidad

La alcalinidad es uno de los factores ambientales más importantes para la nitrificación por dos razones principales. La primera es que los nitrificantes usan dióxido de carbono disuelto, carbonato y bicarbonato como su fuente de carbono para la producción autotrófica de glucosa, y (CO2, HCO3-, CO3-2) son los principales contribuyentes a la alcalinidad de un sistema. La segunda razón es que los nitrificantes producen ácido nítrico durante la oxidación del amoníaco y si la alcalinidad es baja, las fluctuaciones del pH debidas a la producción de ácido pueden provocar un crecimiento deficiente de los nitrificantes. Esto significa que en casos de baja alcalinidad, es mucho más beneficioso complementar la alcalinidad con carbonato o bicarbonato, en lugar de otros compuestos básicos comúnmente añadidos como hidróxido de sodio o hidróxido de magnesio. Típicamente, una alcalinidad alrededor de 100 ppm es óptima para la función nitrificante, pero no hay ningún daño en ser más bajo o más alto suponiendo que el sistema está manteniendo un pH estable y la nitrificación está funcionando lo suficientemente bien como para manejar la tasa de carga de amoníaco en un sistema. 8,64 mg/L de bicarbonato (HCO3) se considera adecuado para eliminar 1 ppm de amoníaco en sistemas de aguas residuales basándose en un modelo de nitrificación de 1976 (USEPA, 2002).

5. pH

Los nitrificantes prefieren un flujo de residuos neutro a ligeramente alcalino (pH 7-8). A valores de pH más bajos (6-5,5), los nitrificantes crecen y funcionan más lentamente, y a valores de pH más altos (9-9,5) los nitrificantes empezarán a morir en un sistema, lo que dificultará el mantenimiento de una población eficaz. Si la alcalinidad se mantiene adecuadamente, es poco probable que los valores de pH estén fuera de este rango en la mayoría de los sistemas de aguas residuales.

Conclusión

Las bacterias nitrificantes son una parte esencial para conseguir una eliminación casi completa del amoníaco en los sistemas de lodos activados. En muchos casos, los sistemas de aguas residuales con una nitrificación eficaz pueden alcanzar niveles de amoníaco y nitrito por debajo de los límites de detección. Los nitrificantes requieren condiciones operativas específicas para funcionar eficazmente y son más sensibles a la toxicidad y a otras condiciones adversas que la mayoría de los heterótrofos de las aguas residuales. Si en una planta de aguas residuales se dan las condiciones óptimas, las poblaciones de nitrificantes serán más robustas y menos susceptibles a los trastornos. Si se dan condiciones adversas y se pierde la nitrificación, los nitrificantes VitaStim y los asimiladores de amoníaco VitaStim ayudan a recuperar rápidamente una población de nitrificantes para evitar violaciones de los límites de efluentes.