Los procesos de nitrificación y desnitrificación que se
llevan a cabo en la depuración de aguas residuales son sistemas copiados de la
naturaleza. Consiste en crear el ambiente adecuado para que bacterias de
distinto tipo pasen el nitrógeno inorgánico y orgánico que hay en el agua
residual a nitrógeno gaseoso (N2)
que se desprende hacia la atmósfera. Este proceso se divide en dos
etapas (Nitrificación – aerobia y Desnitrificación – anaerobia).
Antes de comentar nada, tenemos que conocer que las especies
químicas principales que contienen nitrógeno y que se encuentran disueltas en
las aguas las podemos dividir en cuatro grupos:
- Sustancias
orgánicas nitrogenadas procedentes de la descomposición de materia orgánica,
- NH4+
(amonio), que en ambientes alcalinos se encuentra como NH3
(amoniaco)
- Nitratos
(NO3-), por oxidación de los anteriores, procedentes de
abonos. etc.
- Nitritos
(NO2-), que suelen pasar a nitratos fácilmente.
El contenido de nitrógeno en las aguas residuales urbanas
suele ser de origen doméstico y está compuesto principalmente por nitrógeno orgánico
y nitrógeno amoniacal (NH3 , NH4+) siendo poco
abundantes el resto de especies químicas de nitrógeno. Se puede encontrar
nitratos o compuestos nitrogenados de origen industrial cuando el agua residual
recoge vertidos industriales, aguas pluviales de la ciudad, de escorrentía
agrícolas, etc.
En la siguiente tabla se específica la concentración típica y
porcentaje de nitrógeno en aguas residuales de origen doméstico de
contaminación alta, media y baja (según Metcalf-Eddy).
Como vemos, prácticamente todo el nitrógeno suele estar en
modo reducido como nitrógeno orgánico y nitrógeno amoniacal. El vertido en
estas condiciones hace que los medios receptores actúen como depuradores o
eliminadores del nitrógeno. Para ello, el nitrógeno tiene que pasar a estado de
nitrito y nitrato (NITRIFICACIÓN) antes de ser eliminado como nitrógeno gas (N2)
(DESNITRIFICACIÓN).
El vertido de nitrógeno a los cauces públicos en el agua
residual es perjudicial por dos motivos:
1)
En la fase de nitrificación se consume mucho
oxígeno del que hay disuelto en el agua. Si se vierte mucho nitrógeno amoniacal
a un medio acuático, puede ocurrir una nitrificación que agote el oxígeno del
agua y cause la asfixia y muerte de los peces y seres vivos que necesitan
oxígeno para vivir.
2)
El
nitrógeno como ión nitrato obtenido tras la nitrificación también puede ser un
factor desencadenante de eutrofización, como ya vimos en otra entrada anterior.
FASES DE NITRIFICACIÓN - DESNITRIFICACIÓN
En primer lugar y antes de la fase de nitrificación, el
nitrógeno tiene que estar disponible en forma amoniacal. Para ello ocurre una
descomposición enzimática donde los aminoácidos, ácidos nucleicos,
aminoazúcares, etc. pasan a la forma amoniacal NH4+ (NH3
en medios básicos) por actuación de bacterias saprofitas (Pseudomonas, Bacillus,
Clostridium, etc.) y hongos.
Después de esto y con las condiciones adecuadas tiene lugar
la Fase 1 - Nitrificación en condiciones aerobias y posteriormente la Fase 2 –
Desnitrificación que tiene lugar en ausencia de oxígeno.
Fase 1 – NITRIFICACIÓN.
La nitrificación la producen bacterias autótrofas aerobias
que como se puede ver en el esquema siguiente la podemos dividir en dos etapas.
La primera de oxidación hasta nitrito (NO2-) y la segunda
etapa en la que ocurre la oxidación hasta nitrato (NO3-
).
Una vez el amoniaco está en la forma amoniacal empezaría la
oxidación biológica del amoniaco por acción de las bacterias nitrificantes
(Nitrosomonas, Nitrosococcus, etc. ) hasta NO2- . Para
ello necesitan fuente de nutrientes (C,N,P,etc.) y alta disponibilidad de oxígeno no solo
porque se necesita para oxidar el NH4+ (por cada gramo de
amonio se necesitan 3,55 gramos de oxígeno), sino porque se den las condiciones
aerobias en las que las bacterias nitrificantes tiene que crecer.
En la siguiente etapa se produce la oxidación del nitrito (NO2-
) hasta nitrato, también en condiciones aerobias por otro tipo de
microorganismos como Nitrobacter, Nitrococcus, etc.
Las condiciones ideales de concentración de oxígeno disuelto
para la nitrificación es superior a 1,0 mg/l.
El pH óptimo es entre 7,5 y 8,5.
Fase 2 – DESNITRIFICACIÓN
La desnitrificación ocurre cuando se dan condiciones anóxicas
y los microoganismos facultativos que hay en el medio utilizan el oxígeno que
poseen los nitratos, obteniéndose nitrógeno molecular (N2) que pasa
a la atmósfera.
Las condiciones ideales de concentración de oxígeno disuelto
para la desnitrificación es inferior a 0,2 mg/l.
El pH óptimo es entre 7,0 y 8,5.
DESTINO DEL NITRÓGENO EN EL PROCESO
De forma aproximada se puede decir que el destino del
nitrógeno en el proceso de nitrificación-desnitrificación es el que se describe
a continuación.
En la fase 1 de NITRIFICACIÓN, el ión amonio (NH4+)
es asimilado como tal en la síntesis del material bacteriano, pero en pequeña
proporción respecto al que pasa finalmente a ión nitrato. Aproximadamente el 95,5
% del NH4+ se convierte en nitrato y el resto (4,5 %) es
asimilado o es aprovechado en la formación de las bacterias, forma parte del
tejido bacteriano.
En la siguiente fase 2 de DESNITRIFICACIÓN, el 93 %
aproximadamente del nitrato formado en la fase 1 es transformado en N2
(gas) que pasa a la atmósfera 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 nitrógeno en forma de NH4+ que entran en el
proceso de Nitrificación-Desnitrificación, 88,8 partes se liberan a la
atmósfera como N2 y 11,2 partes (4,5 en nitrificación y 6,7 en desnitrificación)
son asimiladas en la formación de tejidos de nuevas bacterias.
Nos vemos en las siguientes entradas sobre Nitrificación-Desnitrificación.
