Nitrificación 101

Por Heather Jennings, PE

Hoy vamos a centrarnos en los nitrificantes, esos autótrofos del tratamiento de aguas residuales que obtienen energía de la oxidación del amoníaco. (Los autótrofos son microorganismos que producen compuestos orgánicos complejos utilizando el carbono inorgánico de sustancias simples como fuente de alimento). Oxidar el amoníaco es una forma elegante de decir arrancar hidrógenos para pegar oxígenos al nitrógeno: la esencia de la nitrificación.

En el tratamiento de aguas residuales dependemos de las bacterias para realizar la nitrificación. Aunque Nitrobacter y Nitrosomonas son las más comúnmente reconocidas, sólo forman parte de un conjunto de bacterias nitrificantes autótrofas que realizan este trabajo. Eso sí, también hay nitrificantes heterótrofos que forman parte de las bacterias formadoras de flóculos que ayudan en la oxidación del amonio, pero esta vez nos vamos a centrar en los autótrofos.

En los sistemas municipales de aguas residuales, las principales fuentes de nitrógeno que se encuentran en la DBO proceden de fuentes comerciales e industriales y de los residuos humanos. En otras industrias, como la alimentaria, las fuentes de nitrógeno orgánico pueden ser las grasas, los aceites y las grasas, o los tratamientos de preparación de alimentos. Las formas más comunes de nitrógeno en las aguas residuales son el nitrógeno orgánico, el amoniaco y/o el amonio.

Profundizando un poco más en el nitrógeno orgánico, verás que es una combinación de proteínas, aminoácidos y urea que se descomponen para proporcionar amoníaco o amonio. Independientemente de la fuente de nitrógeno, una vez que el nitrógeno orgánico se descompone en amonio o amoniaco como fuente de nitrógeno, puede iniciarse la nitrificación. Sin embargo, ten en cuenta que siempre habrá una parte, normalmente entre 5 y %–10%, que no es económicamente viable tratar, ya que puede requerir más energía o tiempo de tratamiento que la capacidad del sistema de aguas residuales. Esta parte se libera en el efluente y en el medio ambiente.

Los nitrificantes tienen muchos requisitos para funcionar. Ante todo, necesitan oxígeno: en términos químicos, 1,5 partes de oxígeno para nitrificar 1 parte de amonio a nitrito y 0,5 partes de oxígeno para nitrificar 1 parte de amoníaco a nitrato. Para obtener los mejores resultados, se recomienda que el sistema mantenga al menos 2 mg/L de oxígeno disuelto, a fin de proporcionar oxígeno suficiente para lograr la nitrificación. Este requisito de oxígeno disuelto es el verdadero impulsor del dimensionamiento de los sistemas de aireación y el principal contribuyente a los elevados requisitos energéticos de los equipos de aireación.

Los nitrificantes no sólo necesitan oxígeno, sino también tiempo de residencia. Los nitrificantes suelen tardar entre 22 y 48 horas en multiplicarse y, si pudieran, más de 5 días de tiempo de retención. Los tiempos de retención pueden ser aún mayores si la temperatura del afluente es inferior a 59 °F. Los nitrificantes también tienen un punto dulce para su crecimiento, en cuanto a temperatura, que es 77°F. La nitrificación también puede reducirse significativamente por encima de los 86 °F, debido a la menor retención de oxígeno disuelto en la columna de agua.

Por último, pero no menos importante, la nitrificación necesita alcalinidad de carbonatos, o «alcalinidad», como fuente de carbono para los nitrificadores autótrofos. La falta de alcalinidad puede ser un factor limitante importante. La nitrificación requiere 7,1 lb. de alcalinidad por cada 1,0 lb. de amoníaco-N oxidado. Aproximadamente la mitad de la alcalinidad puede recuperarse durante el proceso de desnitrificación, pero si la otra mitad no viene con el afluente, tendrás que añadir bicarbonato sódico, carbonato sódico o cal para aumentar la alcalinidad. La alcalinidad también ayuda a los sistemas de aguas residuales amortiguándolos del consiguiente aumento de acidez asociado a la nitrificación.

Así que, en resumen, necesitas bacterias nitrificantes, oxígeno, temperaturas adecuadas y suficiente alcalinidad y tiempo para nitrificar. Lo que sobre el papel parece tan fácil, pero en realidad puede ser un reto conseguirlo y mantenerlo.