En el campo del tratamiento de aguas residuales, la transformación biológica del nitrógeno es el proceso central para lograr la eliminación de nitrógeno y fósforo y cumplir con los estándares de emisión. Este proceso no implica una reacción única, sino más bien la finalización coordinada de tres pasos clave: amonificación, nitrificación y desnitrificación. En conjunto, estos pasos convierten gradualmente el nitrógeno orgánico complejo y el nitrógeno inorgánico de las aguas residuales en gas nitrógeno inofensivo, reduciendo fundamentalmente la carga de nitrógeno en los cuerpos de agua.
Introducción
El nitrógeno en las aguas residuales existe principalmente en forma de nitrógeno orgánico (como proteínas y urea) y nitrógeno amoniacal. Los vertidos directos pueden provocar problemas medioambientales como la eutrofización de masas de agua. Los métodos de tratamiento biológico, con sus ventajas de alta eficiencia y economía, se han convertido en la tecnología principal para la eliminación de nitrógeno de las aguas residuales. El principio básico es utilizar las actividades metabólicas de diferentes microorganismos en condiciones ambientales específicas para transformar gradualmente los elementos nitrogenados y, en última instancia, lograr la eliminación gaseosa de los cuerpos de agua a la atmósfera. A continuación se analizará sistemáticamente el mecanismo central de este proceso.
I. Amonificación: la conversión de nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal.
La amonificación es el primer paso en la eliminación de nitrógeno de las aguas residuales, refiriéndose a la conversión de compuestos orgánicos de nitrógeno en
El proceso se ve facilitado principalmente por bacterias amonificadoras. Dependiendo del contenido de oxígeno del ambiente, se puede clasificar en dos vías: transformación aeróbica y transformación anaeróbica.
1. Transformación aeróbica
En condiciones aeróbicas, microorganismos como Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus y facultativo Proteus vulgaris participan en la reacción, degradando principalmente el nitrógeno orgánico a través de dos mecanismos principales:
• Deaminación oxidativa: Bajo la catálisis de oxidasas, los aminoácidos pierden gradualmente sus grupos amino para generar cetoácidos y amoníaco.
Tomando la alanina como ejemplo:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanina → Ácido iminopropiónico → Ácido pirúvico + Amoníaco)
• Hidrólisis del amoníaco: bajo la acción de enzimas hidrolíticas, los compuestos orgánicos que contienen nitrógeno-como la urea se hidrolizan para producir amoníaco.
Reacción de hidrólisis de urea:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Las bacterias involucradas en este proceso incluyen bacterias aeróbicas como Enterococcus faecalis y Bacillus urea.
2. Conversión anaeróbica
En ambientes anaeróbicos o con deficiencia de oxígeno-, los microorganismos anaeróbicos y anaeróbicos facultativos completan la amonificación a través de tres vías:
• Reducción y desaminación:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Eliminación de amoníaco-a base de agua:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Deshidratación y desaminación:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrificación: oxidación del nitrógeno amoniacal a nitrógeno nitrato.
La nitrificación es la segunda reacción central que oxida NH3-N a NOx-N, que se completa sinérgicamente entre las bacterias nitrito y las bacterias nitrato, y se divide en dos etapas: nitritación y nitrificación.
1. Mecanismo de reacción
• Reacción de nitritación (dominada por bacterias nitritas):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Reacción de nitrificación (dominada por nitrobacterias):
NO2- + 0.5O2 → NO3- + 73.19kJ
• Fórmula de reacción general:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Características clave del proceso
• Alta demanda de oxígeno: Consumo teórico de 4,2 g por eliminación de 1 g, por lo que la reacción de nitrificación debe realizarse en condiciones de aireación suficientes.
• Baja tasa de crecimiento: las bacterias nitrificantes tienen un rendimiento celular extremadamente bajo y son más propensas a una actividad insuficiente durante los fríos meses de invierno. Por lo tanto, es necesario mantener una alta concentración de lodos para asegurar la eficiencia del tratamiento.
• Consumo de alcalinidad: La reacción genera una gran cantidad de H+. Teóricamente se consumen 7,54g de alcalinidad (calculada como CaCO3) por cada 1g de oxidación. Es necesario mantener la estabilidad del pH del sistema agregando agentes alcalinos.
III. Desnitrificación: Reducción del nitrógeno nitrato a gas nitrógeno.
La desnitrificación es el paso final en la eliminación de nitrógeno de las aguas residuales. Se refiere al proceso en el que las bacterias desnitrificantes reducen el NOx-N y otros óxidos de nitrógeno a gas nitrógeno u óxidos de nitrógeno gaseosos como aceptores de electrones en condiciones anaeróbicas o deficientes en oxígeno- (OD < 0,3 ~ 0,5 mg/L).
1. Mecanismo de reacción
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Reacción de reducción completa (tomando como ejemplo compuestos orgánicos como donadores de electrones):
NO3−+5[H] (donante de electrones) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (donante de electrones) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Requisitos de fuentes de carbono y características microbianas
• Consumo de fuentes de carbono: Teóricamente, se necesitan 2,86 g de fuentes de carbono para convertir 1 g de nitrógeno nitrato en N2, y 1,71 g de materia orgánica para convertir 1 g de nitrógeno nitrito.
• Diversidad de donantes de electrones: [H] puede ser proporcionado por compuestos orgánicos, sulfuros, etc., ofreciendo múltiples opciones de fuentes de carbono para la optimización del proceso.
• Características microbianas: Las bacterias desnitrificantes son en su mayoría bacterias facultativas, que respiran utilizando O2 como aceptor terminal de electrones en presencia de oxígeno, y utilizan NOx-N para la respiración en ausencia de oxígeno. Esta característica es la base fundamental del proceso de desnitrificación anóxica.
Resumen
La transformación biológica del nitrógeno en las aguas residuales es un proceso en cadena interconectado:
La amonificación descompone las moléculas de nitrógeno orgánico y libera nitrógeno amoniacal;
La nitrificación implica la oxidación gradual del nitrógeno amoniacal a nitrógeno nitrato en un ambiente aeróbico;
La desnitrificación reduce el nitrógeno nitrato a gas nitrógeno en ambientes anóxicos, logrando en última instancia la eliminación del nitrógeno de los cuerpos de agua a la atmósfera.
El funcionamiento eficiente de este proceso se basa en un control preciso de parámetros clave como el contenido de oxígeno, la alcalinidad, la fuente de carbono y la temperatura, y sirve como soporte técnico central para lograr una eliminación estable de nitrógeno en plantas modernas de aguas residuales urbanas y tratamiento de aguas residuales industriales.