transformación y eliminación del nitrógeno en el

TRANSFORMACIÓN Y ELIMINACIÓN DEL NITRÓGENO EN EL
TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE GRANJAS DE PUERCO,
EMPLEANDO UN BIOFILTRO AIREADO CON SOPORTE
ORGÁNICO
Garzón-Zúñiga Marco ,3 , Lessard Paul. 1 y Buelna Gerardo. 2
1
Département de génie civil , Université Laval, Québec (Qc), Canada G1K 7P4
Centre de Recherche Industrielle du Québec (CRIQ), 333 rue Franquet, Sainte-Foy
(Qc), Canada G1P4C7
3.
Intituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA). Paseo Cuauhnáhuac 8532 Col.
Progreso C.P. 62550, Jiutepec, Morelos, México. Tel: (777) 319 4366 Fax (777) 319
34 22 E-mail [email protected]
2
PALABRAS CLAVE
Biofiltración, Eliminación del Nitrógeno, Nitrificación y Desnitrificación Simultanea (NDS).
RESUMEN
Un biofiltro aireado a escala laboratorio, empacado con turba y pedazos de madera, fue
utilizado para tratar aguas residuales provenientes de una granja porcina. Todas las formas del
nitrógeno presentes en el influente y efluente líquido (NTK, N-NH4 +, N-NO2 -, N-NO3 -), así
como aquellas presentes en la fase gaseosa (N-NH3 , N-N2 O; N2 ) fueron monitoreadas durante
180 días de operación. Los resultados muestran que existe una sucesión de mecanismos
físico-químicos y biológicos de eliminación del nitrógeno y que su importancia especifica
varía con el tiempo. Se encontró que la volatilización del NH3 juega un papel importante en el
arranque del sistema y posteriormente es inhibida por la actividad nitrificante. La principal
forma de nitrógeno que escapa del biofiltro es el gas N2 formado a partir de un proceso de
Nitrificación y Desnitrificación Simultanea (NDS).
INTRODUCCIÓN
La biofiltración es una modificación de los filtros percoladores. En los biofiltros (BF), el
material de empaque esta constituido por algún medio orgánico (paja, madera, turba, etc.) y
además, los tiempos de retención son más largos que en los filtros percoladores. Esta
tecnología ha sido utilizada recientemente de forma eficiente para el tratamiento de efluentes
con alta carga en materia orgánica y nitrogenada. Dubé et al., (1995) reportan que, tratando
las aguas residuales de granja porcina por biofiltración aireada sobre turba, hasta un 90 % del
NTK del influente es eliminado del efluente. Sin embargo, 78% de ese nitrógeno es reportado
como perdido, debido a que se desconoce las transformaciones que sigue y la forma en que es
eliminado del sistema. Los mismos autores han sugerido que la formación y volatilización de
NH3 pudiese ser la respuesta a tal incógnita. Al respecto, Garzón–Zúñiga (2001) ha trabajado
para elucidar cuales son los mecanismos que intervienen en la eliminación del nitrógeno del
efluente líquido en los sistemas de biofiltración sobre turba. Este autor ha encontrado que si
bien, la volatilización del NH3 es uno de los principales mecanismos fisico-químicos de
eliminación dentro de los biofiltros, éste mecanismo no es suficiente para explicar la perdida
del 78% del nitrógeno que se elimina. Por lo cual se presenta la hipótesis que los procesos
biológicos deben contribuir de forma importante a la eliminación del nitrógeno. Y, en
particular, un proceso de nitrificación y desnitrificación simultanea podría estar implicado y
tener una participación significativa.
Muchos autores (Masuda et al., 1991; Iwai y Kitao, Garzón Zúñiga y Gonzalez Martinez,
1996) apoyan la hipótesis sobre la existencia de microzonas anóxicas en los sistemas de
tratamiento aireados que utilizan biopelicuas y nitrifican. En las cuales, los Nox pueden ser
transformados bioquímicamente en N2 O y N2 .
Determinar cuales son los mecanismos de transformación y eliminación del nitrógeno dentro
de un sistema de biofiltración es importante ya que algunas formas gaseosas de este elemento
(NH3 y N2 O) representan una transferencia de la contaminación hacia la atmósfera. El NH3 ,
posé un olor desagradable que es detectable a muy bajas concentraciones (Buelna et al.,
1997), y sobre todo, induce la formación de lluvia ácida a través de la cual la contaminación
es regresada a al suelo y al agua. Por otra parte, varios estudios (Saharawat y Keeny, 1986;
Beline, 1999) señalan al N2 O como contribuyente importante del efecto de invernadero
(calentamiento de la atmósfera terrestre) y aún peor, como la fuente de varios óxidos de
nitrógeno que catalizan la destrucción de la capa estratosférica de ozono que protege a la
biosfera de las radiaciones ultravioleta.
Si los mecanismos de transformación y eliminación del nitrógeno que ocurren en los sistemas
de biofiltración sobre turba se conocieran, entonces, las condiciones de operación pueden ser
modificadas para optimizar la eficiencia y minimizar la transferencia de la contaminación
hacia la atmósfera.
El objetivo principal de la presente investigación es el de determinar las transformaciones del
nitrógeno que tienen lugar en un sistema de biofiltración sobre turba aireado y, con base en
los productos que se forman, elucidar las vías biológicas de eliminación que se presentan.
METODOLOGÍA
Un biofiltro escala laboratorio de 20 L de capacidad fue utilizado para tratar las aguas
residuales de una granja porcina (figura 1). El influente es alimentado en la parte superior del
biofiltro (0.03 m3 /m2 MF/d) y escurre lentamente por gravedad para salir posteriormente por la
parte baja de la columna. El material de soporte empleado es una mezcla de pedazos de
madera y de turba, su preparación y la instalación en las columnas se hace como se describe
en Garzón-Zúñiga et al., (2001). La aireación (13.6 m3 aire/m2 MF/h) se inyecta en la parte
baja del biofiltro y sale por la parte alta del mismo. El biofiltro (para los fines de
investigación) se encuentra herméticamente cerrado con una campana, en cuya parte superior
se localiza la salida gaseosa y un puerto de muestreo. El sistema trabajó durante 180 días
tratando las aguas de la granja porcina con una concentración en DQO de aproximadamente
15000 mg/L y una carga nitrogenada de aproximadamente 2,500 mg NTK. Desde el arranque
fueron monitoreadas todas las formas de nitrógeno entrando y saliendo del sistema: en el
influente y el efluente líquido (NTK, N-NH4 +, N-NO2 -, NO3 -) y en el efluente gaseoso (NNH3 , N-N2 O y N2 ). El NH3 fue determinado por captura por barboteo en solución ácida y
posteriormente analizado según la técnica de Nessler. El N2 O fue determinado conectando
directamente la salida gaseosa del biofiltro a un detector de espectro infrarojo. En cuanto a la
determinación del N2 una nueva metodología de muestreo fue diseñada.
Salida de Gas
Influente líquido
3
2
0.031 (m /m /d)
TKN, NH+
-N , N0 2- -N
4
NO 3--N
Punto de muestreo
NH 3-N, N 2O-N, N 2
Capa de cortezas
Capa de grava
Cama
filtrante
50% turba
50% trozos de madera
Tasa de aireación
13.6 (m3/m2/h)
20% oxígeno
80% argon
Manómetro
Efluente Líquido
TKN, NH+
-N, N0 -2-N, NO-3-N
4
Figura 1. Esquema del biofiltro utilizado.
Determinación del N2
El principal problema de la determinación del N2 que se produce al interior del biofiltro, es
que esta cantidad es muy pequeña en comparación con la fracción de N2 que se encuentra de
forma natural en el aire atmosférico que es utilizado para airear el sistema. Por lo cual, es muy
difícil distinguir entre ambas fracciones de N2 . Esta dificultad, es la razón principal por la cual
la mayor parte de los autores no pueden confirmar la hipótesis de la existencia de un proceso
de nitrificación y desnitrificación simultanea (NDS) que explica la “desaparición” de una gran
parte del nitrógeno en los sistemas de tratamiento biológico aireados. Algunos autores han
recurrido al marcaje con isótopos utilizando el N15 . El cual es introducido en el influente en
forma de N15 H4 + y posteriormente se siguen las transformaciones hasta la formación de N2 O y
N2 (Masuda et al., 1991 y Beline, 1999). Sin embargo, esta técnica es costosa. Por lo cual, una
nueva técnica fue elaborada especialmente para nuestro sistema de biofiltración. Esta consiste
en utilizar un gas de aireación sin N2 (molécula que es remplazada por un gas inerte: argon)
de forma que el nitrógeno molecular que es medido a la salida del biofiltro corresponda
solamente al N2 generado dentro del mismo, como producto de las biotransformaciones del N,
y no al N2 atmosférico.
Durante todo el periodo experimental el biofiltro se aireo con aire atmosférico. Y, solamente
cuando se tomaban las muestras para medir el aire producido al interior del biofiltro, el gas de
aireación era cambiado por el aire sintético. En esos casos, el sistema se dejaba airear durante
aproximadamente 20 minutos (mientras el aire atmosférico es completamente purgado del
sistema) y posteriormente se tomaba la muestra de gas y se analizaba de inmediato por
cromatografía de gas. La determinación del tiempo de purga y otros detalles sobre esta técnica
se presentan en Garzón-Zúñiga (2001).
RESULTADOS Y DISCUSION
Volatilización del NH3
En la figura 2 se presenta el perfil de la concentración de NH3 en el efluente gaseoso. Se
observa que desde el arranque existe un fenómeno de volatilización de NH3 . Cuya tasa
máxima se presentó el día 18 de operación y, a partir de este punto, la masa de NH3
volatilizada disminuyó continuamente hasta hacerse insignificante (4 mg N-NH3 /L) durante
los días 40 y 60 de operación. Una vez que la volatilización se detuvo, no se volvió a observar
durante los 120 días restantes de experimentación.
1400
8,5
7,5
1000
800
6,5
600
400
5,5
200
0
0
20
40
Tiempo (d)
60
80
N-NH3
100
120
140
pH Influente
Figura 2. Perfil de volatilización de NH3 y del pH
160
4,5
180
pH Efluente
pH
N-NH3 (mg/d)
1200
Se sabe que el pH y la aireación son dos parámetros importantes que controlan la formación y
volatilización del NH3 . Durante toda la experimentación la tasa de aireación (13,6
m3 /m2 MF/h) permaneció constante. Y, el pH del influente se mantuvo entre 7,0 y 7,5 con
algunas excepciones en las que el pH fue de 6,6 y 6,9 (fig.2). Sin embargo, se observó que el
pH se acidifica a su paso a través de la cama filtrante, haciendo caer el pH del efluente (5,3)
durante los primeros días de operación como consecuencia del lavado de los ácidos húmicos
de la turba (componente principal de la cama filtrante).
Después de este periodo, el pH del efluente tiende hacia la neutralidad alcanzando un
equilibrio a valores ligeramente menores que 7,0. Este estado estable del pH fue roto el día 60
de operación, cuando el pH comienza una caida precipitada y continua hasta llegar a valores
cercanos a 4,5. Esta caida del pH coincide con la disminución y perdida de la volatilización
del NH3 y también con la aparición de una actividad nitrificante dentro del sistema (figura 3).
Nitrificación e inhibición de la volatilización
La figura 3 presenta los perfiles de NH3 volatilizado y de N-Nox (NO2 -, NO3 -) acumulados en
el efluente líquido. Se puede observar que existe una relación inversa entre ambos parámetros.
Los Nitratos son detectados por primera vez entre los días 40 y 60, al mismo tiempo que la
volatilización de NH3 se detuvo.
1600
600
N-NH3
1400
N-NO2-
N-NO3-
400
1000
800
600
200
400
N-Nox (mg/d)
N-NH3 (mg/d)
1200
200
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
100 110 120 130
Tiempo (d)
Figura 3. Perfil del NH3 volatilizado y de los Nox en el efluente líquido
De acuerdo con estos resultados, durante los primeros 20 a 30 días las condiciones de
aireación y de pH fueron adecuadas para permitir la volatilización del NH3 . Al mismo tiempo,
y desde el arranque del biofiltro, los microorganismos nitrificantes se comenzaron a instalar
en la cama filtrante, desarrollando una población importante entre los días 40 a 60. Estos
microorganismos oxidan el NH4 + , proceso durante el cual, la alcalinidad del sistema se
consume causando una caída del pH. Estos dos factores, la utilización del NH4 + (como
sustrato de las bacterias nitrificantes) y la caída del pH, modifican el equilibrio de la ecuación
: NH3 ⇔ NH4 +, dentro del biofiltro, favoreciendo la formación de NH4 + y deteniendo la
formación y volatilización del NH3 .
Desnitrificación Simultanea (DS)
Hasta el momento ha sido observado un proceso de nitrificación dentro del sistema de
biofiltración. Sin embargo, para verificar la existencia de un mecanismo de desnitrificación
simultanea era necesario detectar y medir las concentraciones de N2 O y N2 en el efluente
gaseoso. Los NO2 - y los NO3 - son el substrato que los microorganismos desnitrificantes usan
como aceptores de electrones. Por lo cual, el N2 O y el N2 fueron medidos solamente una vez
que los Nox fueron detectados en el efluente líquido. La primera medición de N2 O fue hecha el
día 92 mostrando una importante concentración (igual al 17% del NTK introducido en el
sistema con la alimentación), la cual permaneció más o menos constante hasta el fin del
periodo experimental (figura 4). Sin embargo, la sola presencia de esta molécula no prueba la
existencia de un mecanismo de desnitrificación simultanea. El N2 O puede formarse tanto por
un proceso de nitrificación como por un proceso de desnitrificación (Sahrawat y Keeny,
1986; Beline, 1999).
2500
N-N2O, N2 (mg/d)
2000
N2O-N
N2
1500
1000
500
0
80
100
120
140
160
180
Tiempo (d)
Figiua 4. Comportamiento del N2 O y del N2 .
El N2 comenzó a ser detectado el día 142 de operación. Una cantidad importante fue
cuantificada saliendo del biofiltro (573 mg N2 /d). La producción de N2 muestra lo que
pareciera ser un comportamiento cíclico. La detección del nitrógeno molecular confirma la
hipótesis de la existencia de un proceso de nitrificación y desnitrificación simultanea (NDS)
al interior del sistema.
Tal y como se puede observar en la figura 5, una parte importante del NTK del influente, es
transformada en N2 por un proceso de NDS. Y, junto con el N2 O constituyen las formas
principales del nitrógeno que salen del biofiltro. Ambas salen en el efluente gaseoso (día 142).
Este comportamiento que se mantiene hasta el fin del periodo experimental.
2000
NTK Influente
N-NH4
N-NH3
N-N2O
N2
N-NO2-
N-NO3-
3000
1800
1600
2500
1400
1200
2000
1000
1500
800
N-NO3- (mg/d)
N - : NTK; NH4+; NH3; N2O; N2; NO2
(mg/d)
3500
600
1000
400
500
200
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0
180
Tiempo (d)
Figura 5. Perfil de todas las formas del nitrógeno entrando y saliendo del biofiltro
CONCLUSIONES
De acuerdo con los resultados del presente trabajo, la eliminación del nitrógeno en un sistema
de biofiltración aireado sobre turba, corresponde a una sucesión de mecanismos físicos,
químicos y biológicos. Durante los primeros días la volatilización del NH3 es el principal
mecanismo de eliminación del nitrógeno. Más del 50 % del NTK de entrada es eliminado
como NH3 . Con el tiempo, este mecanismo es inhibido por la implantación y crecimiento de
una importante actividad nitrificante, la cual consume la alcalinidad del medio y hace caer el
pH a su paso por la cama filtrante.
La Hipótesis de la existencia de un proceso de NDS fue comprobada a través de la detección y
cuantificación de N2 O y N2 . Pero aún más, se comprobó que este mecanismo es el principal
proceso de eliminación del nitrógeno dentro del sistema de biofiltración aireado. A parir del
día 142 de operación, más del 60 % del NTK es eliminado sea como N2 (45%) sea como
nitratos (19%).
AGRADECIMIENTOS
Gracias al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) de México y al Ministerio
de la Educación de Quebec (MEQ), Canada, por el aporte económico para la realización del
presente trabajo.
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