En el funcionamiento diario del tratamiento de aguas residuales se suelen escuchar dos términos: nitrificación y desnitrificación. Muchas personas que son nuevas en el tratamiento de aguas residuales tienden a confundir estos dos conceptos. A pesar de sus nombres similares, ambos giran en torno al carácter "硝", en realidad desempeñan roles completamente diferentes en el tratamiento de aguas residuales.
En términos simples, la nitrificación es responsable de convertir el nitrógeno amoniacal en nitrato, mientras que la desnitrificación es responsable de convertir el nitrato en gas nitrógeno. Uno es un proceso de oxidación y el otro es un proceso de reducción. Los dos procesos son como una carrera de relevos, y sólo cuando se completan en coordinación se puede eliminar realmente el nitrógeno de las aguas residuales.
Una vez que se comprende este punto, la lógica detrás de varios procesos de eliminación de nitrógeno, como A/O, AAO y zanja de oxidación, se vuelve mucho más clara.
I. Nitrificación: convertir el nitrógeno amoniacal en nitrato
En las aguas residuales domésticas y en muchas aguas residuales industriales, el nitrógeno existe principalmente en forma de nitrógeno amoniacal. Si el nitrógeno amoniacal se vierte directamente en cuerpos de agua, puede provocar fácilmente una eutrofización y también ejercer efectos tóxicos en organismos acuáticos como los peces. Por lo tanto, las plantas de tratamiento de aguas residuales deben convertir primero el nitrógeno amoniacal.
Este proceso de transformación se conoce como nitrificación.
La nitrificación es en realidad un proceso de oxidación llevado a cabo por microorganismos, que se puede dividir a grandes rasgos en dos pasos:
El primer paso es la oxidación del nitrógeno amoniacal en nitrito.
Paso 2: el nitrito se oxida aún más a nitrato
Todo el proceso requiere suficiente oxígeno, por lo que la nitrificación suele ocurrir en ambientes aeróbicos, como tanques de aireación o tanques bioquímicos MBR.
Los microorganismos implicados en este proceso se conocen como bacterias nitrificantes. Se diferencian de las bacterias heterótrofas ordinarias en que pertenecen a la categoría autótrofa y obtienen energía principalmente de sustancias inorgánicas. Su tasa de crecimiento es relativamente lenta y también son sensibles a los cambios ambientales.
Esta es también la razón por la que muchas plantas de tratamiento de aguas residuales tienden a experimentar una disminución en la capacidad de nitrificación durante el invierno.
II. Desnitrificación: convertir nitrato en gas nitrógeno.
Aunque la nitrificación ha resuelto el problema del nitrógeno amoniacal, el nitrógeno del agua no ha desaparecido realmente en este momento; simplemente se ha transformado de una forma a otra. Para "eliminar" verdaderamente el nitrógeno de las aguas residuales, es necesario completar el segundo paso - desnitrificación -.
La desnitrificación es un proceso de reducción. En un ambiente anaeróbico, los microorganismos utilizan el oxígeno del nitrato y lo reducen gradualmente a nitrógeno gaseoso. La vía de reacción es aproximadamente la siguiente:
Nitrato → Nitrito → Óxido Nitroso → Óxido Nitroso → Nitrógeno
El gas nitrógeno (N₂)* finalmente generado se liberará al aire en forma gaseosa, por lo que el nitrógeno de las aguas residuales se elimina realmente. Los microorganismos que completan este proceso se denominan bacterias desnitrificantes. A diferencia de las bacterias nitrificantes, pertenecen a bacterias heterótrofas y requieren carbono orgánico como fuente de energía.
Esta es también la razón por la que muchas plantas de tratamiento de aguas residuales necesitan agregar fuentes de carbono durante la eliminación de nitrógeno.
III. Varias diferencias clave entre nitrificación y desnitrificación
Si miramos estos dos procesos juntos, encontraremos que son diametralmente opuestos en muchos aspectos.
1. Diferentes condiciones de oxígeno
La nitrificación debe ocurrir en un ambiente aeróbico, lo que generalmente requiere que los niveles de oxígeno disuelto se mantengan en alrededor de 2 mg/L.
La desnitrificación requiere un ambiente anaeróbico con oxígeno disuelto mantenido por debajo de 0,5 mg/L. Si hay demasiado oxígeno, las bacterias desnitrificantes preferirán utilizar oxígeno en lugar de nitrato.
En términos simples, la nitrificación prospera en oxígeno, mientras que la desnitrificación es inhibida por el oxígeno.
2. Diferentes tipos de microorganismos
La nitrificación se logra principalmente mediante bacterias nitrificantes, que incluyen nitrosomonas y nitrobacter.
Estas bacterias pertenecen a bacterias autótrofas, que crecen lentamente y requieren una edad de lodo más larga.
La desnitrificación se lleva a cabo mediante bacterias desnitrificantes, que pertenecen a la categoría de bacterias heterótrofas y exhiben una tasa de crecimiento relativamente más rápida.
3. Diferentes requisitos de fuentes de carbono
Las bacterias nitrificantes utilizan principalmente sustancias inorgánicas para obtener energía y generalmente no dependen de fuentes de carbono orgánico.
Las bacterias desnitrificantes requieren carbono orgánico como donante de electrones. Por lo tanto, cuando la materia orgánica disponible en las aguas residuales es insuficiente, suele ser necesario añadir fuentes externas de carbono como acetato de sodio, metanol y glucosa.
En el funcionamiento de muchas plantas de aguas residuales, una fuente insuficiente de carbono suele ser un factor importante que afecta la eficiencia de la eliminación de nitrógeno.
4. El lugar de ocurrencia es diferente.
En los procesos habituales de eliminación de nitrógeno, ambos suelen estar dispuestos en zonas de reacción diferentes.
Por ejemplo, en procesos A/O o AAO:
Tanque anóxico - Desnitrificación Tanque aeróbico - Nitrificación
El nitrato producido mediante la nitrificación regresa a la zona anóxica mediante recirculación interna, donde es transformado aún más por bacterias desnitrificantes.
5. Diferentes resultados finales
El resultado de la nitrificación es una disminución del nitrógeno amoniacal y un aumento del nitrato.
El resultado de la desnitrificación es: reducción de nitrato y producción de gas nitrógeno.
En otras palabras, el nitrógeno sólo puede salir del cuerpo de agua después de que se completa la desnitrificación.
IV. en realidad son una carrera de relevos
Desde una perspectiva holística, la nitrificación y la desnitrificación no son dos procesos independientes, sino más bien dos pasos consecutivos en la eliminación biológica de nitrógeno.
Todo el proceso de conversión de nitrógeno puede entenderse simplemente como:
Nitrógeno amoniacal → Nitrito nitrito → Nitrógeno nitrato → Nitrito nitrito → Gas nitrógeno
La nitrificación es responsable de convertir el nitrógeno amoniacal en nitrato, mientras que la desnitrificación es responsable de reducir el nitrato a nitrógeno gaseoso.
Los dos están conectados como una carrera de relevos.
Si solo hay nitrificación y no desnitrificación, el nitrato en el agua seguirá causando eutrofización.
Si no hay nitrificación, faltarán "materias primas" para la desnitrificación.
Esta es también la razón por la que la mayoría de los procesos de eliminación de nitrógeno incorporan zonas aeróbicas y anóxicas.
V. Conclusión
En el campo del tratamiento de aguas residuales, muchos conceptos pueden parecer similares, pero la lógica subyacente es completamente diferente.
La nitrificación y la desnitrificación son un par típico.
Uno ocurre en un ambiente aeróbico, mientras que el otro ocurre en un ambiente anaeróbico;
Uno se encarga de oxidar el nitrógeno amoniacal y el otro se encarga de reducir el nitrato;
Sólo cuando los dos se combinan se puede formar un proceso biológico completo de eliminación de nitrógeno.
Habiendo entendido esto, cuando observamos varios procesos de eliminación de nitrógeno, como A/O, AAO y zanja de oxidación, podemos ver que todos están optimizados y combinados en torno a estos dos pasos.
Muchos procesos complejos en el tratamiento de aguas residuales crean, en última instancia, un "entorno de trabajo" adecuado para estos microorganismos.