© Networking sobre problemática biológica en sistemas de eliminación de nitrógeno (2011), Sevilla. Spain.

Asociación Científica Grupo Bioindicación de Sevilla (GBS)

Análisis de las correlaciones entre diversos parámetros operacionales y físico-químicos relacionados con el proceso biológico de nitrificación en fangos activos

Andrés Zornoza1,2, Liz Avendaño1, José Lúis Alonso1, Susana Serrano3, Inmaculada Amorós1, Ignacio Bernácer4, Juan Luís Martínez4 1Instituto Universitario de Investigación de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente. Universitat Politècnica de València. Camino de Vera, s/n, 46022 Valencia, Spain. (E-mail: anzorzor@upv.es, jalonso@ihdr.upv.es, iamoros@ihdr.upv.es). 2Grupo Bioindicación de Sevilla. 3Departamento de Microbiología III, Facultad de Biología, Universidad Complutense, 28040 Madrid, Spain. (E-mail: suserra@bio.ucm.es). 4Entidad Pública de Saneamiento de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana (EPSAR), 46010 Valencia.

1. INTRODUCCIÓN La nitrificación biológica consiste en la oxidación del ión amonio a nitrito y posteriormente a ión nitrato. Durante este proceso, un grupo de bacterias quimiolitótrofas, las bacterias oxidantes de amonio (BOA), arqueas oxidantes de amonio (AOA) y las bacterias oxidantes de nitritos (BON) realizan una respiración aeróbica dependiente de oxígeno. Las reacciones de oxidación de amonio y nitritos son (Gerardi, 2002):

NH4

+ + 1.5 O2 → NO2- + 2H+ + H2O + energía

NO2- + 0.5O2 → NO3

- + energía

Los iones amonio y el amoniaco son compuestos reducidos del nitrógeno. En el proceso de nitrificación es el ión amonio el que es oxidado durante la nitrificación. Las cantidades de ambos en el tanque de aireación dependen de los rangos de

temperatura (10ºC - 20ºC) y pH (7 - 8.5). Bajo estas condiciones operacionales, cerca del 95% de estos compuestos se encuentran en forma de amonio (Gerardi, 2002).

La nitrificación es un proceso clave en el ciclo del nitrógeno en muchos ecosistemas. Por ejemplo, en los ecosistemas terrestres este proceso es de crucial importancia debido a que, a largo plazo, regula directa o indirectamente el balance del nitrógeno inorgánico en el suelo, la lixiviación del nitrato en las aguas subterráneas y la emisión de óxidos de nitrógeno desde el suelo (Attard, 2010).

El nitrógeno presente en las aguas residuales urbanas generalmente se encuentra en forma de amonio, urea, ácido úrico, proteínas, azúcares aminados y aminas, entre otros. Gracias a la acción bacteriana el nitrógeno orgánico es transformado a ión amonio. Como consecuencia de la actividad de los microorganismos proteolíticos las proteínas son degradadas hasta aminoácidos, y a su vez la degradación de los aminoácidos para formar amonio es realizada por los organismos amonificantes (Catalán, 1997). El ión amonio o los nitratos pueden ser también asimilados por las algas para la síntesis de

BON

BOA/AO

2 Análisis de las correlaciones del proceso de nitrificación

material celular. El compuesto orgánico con mas nitrógeno es la urea, la cual es hidrolizada por la enzima ureasa a amoníaco y anhídrido carbónico, por lo tanto la liberación del amoniaco se produce antes de llegar las aguas residuales a la EDAR (Catalán, 1997). Cuando un organismo muere, el nitrógeno de los aminoácidos se transforma en amoniaco a través del proceso de amonificación:

R-NH2-(CH2)-COOH → NH3 + CO2 + H2O

Este proceso reintroduce el amoniaco o el

ión amonio en el ciclo del nitrógeno. Para completar el ciclo los iones nitrito y nitrato son convertidos al estado gaseoso N2 o N2O mediante la acción de las bacterias desnitrificantes (Catalán, 1997). 1.1. Bacterias nitrificantes Las bacterias nitrificantes viven en una gran variedad de hábitats, incluyendo agua dulce (agua potable y aguas residuales), agua de mar, agua salobre y en el suelo. Las principales especies presentes en los fangos activos son autótrofas, es decir, utilizan el dióxido de carbono o carbono inorgánico como fuente de carbono, para la síntesis de material celular. Por cada molécula de dióxido de carbono asimilado, se oxidan aproximadamente 30 moléculas del ión amonio o 100 moléculas de nitrito. Debido a la gran cantidad de iones amonio y nitrito necesarios para asimilar dióxido de carbono, las bacterias nitrificantes tienen una velocidad de crecimiento muy baja (Gerardi, 2007).

El término nitrificación, como se explicó anteriormente, se refiere a la oxidación secuencial aeróbica del amonio a nitrito y luego a nitrato. Estos dos pasos son catalizados por organismos procariotas quimiolitótrofos denominados: Bacterias Oxidantes de Amonio (BOA), Archaea

Oxidante de Amonio (AOA) y Bacterias Oxidantes de Nitrito (BON). Hasta el momento no existen organismos capaces de realizar ambos procesos metabólicos a la vez (Daims et al., 2009). 1.1.1. Bacterias Oxidantes de Amonio (BOA)

Filogenéticamente las BOA se limitan a dos linajes diferentes de Proteobacterias, la mayoría son Betaproteobacterias, incluyendo Nitrosomonas y Nitrosospira. En la mayoría de las EDAR, el amonio es oxidado por las BOA del género Nitrosomonas, que incluyen a N. europaea, N. eutropha, N. mobilis y N. oligotropha. En los fangos activos, en los flóculos y en la biocapa, las BOA pertenecientes al género Nitrosomonas generalmente forman agregados celulares esféricos y compactos. Las BOA del género Nitrosospira se han detectado ocasionalmente en las EDAR, pero éstas se encuentran comúnmente en hábitats terrestres y juegan un papel de menor importancia para el tratamiento de aguas residuales (Daims et al., 2009). 1.1.2. Bacterias Oxidantes de Nitrito (BON)

Las BON se engloban en cuatro géneros: Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospina y Nitrospira (Mota et al., 2005). En la mayoría de las EDAR las BON dominantes pertenecen al género Nitrospira y Nitrobacter (Wagner et al., 1996; Mota et al., 2005). Las bacterias del género Nitrospira son de crecimiento lento, muy difíciles de cultivar en el laboratorio y forman agregados esféricos o irregulares.

El género Nitrobacter parece desempeñar un papel menor en las EDAR con concentraciones de nitrito medias. Sin embargo hay presencia de Nitrobacter en reactores que contienen elevadas concentraciones de nitritos (Daims et al., 2001). Esto puede deberse a que Nitrobacter prospera en aguas con concentraciones altas

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de oxígeno y de nitritos, al contrario que Nitrospira que se adapta mejor a concentraciones bajas de nitrito y de oxígeno disuelto (Schramm et al., 1999). 1.2. Factores que afectan a la nitrificación El proceso de nitrificación es un paso crítico en la depuración de aguas, debido a la baja tasa de crecimiento de las bacterias nitrificantes y a la extremada sensibilidad a los cambios del sistema y a sustancias inhibidoras que impiden su crecimiento y su actividad. A continuación se presentan los factores que afectan a la nitrificación (González et al., 2010; Bitton, 1994). 1.2.1. Temperatura

La temperatura es el factor operacional más influyente en el crecimiento de las bacterias nitrificantes. Hay una importante reducción en la velocidad de nitrificación con la disminución de la temperatura, por el contrario, la tasa de crecimiento de las bacterias nitrificantes aumenta considerablemente con la temperatura dentro del rango de 8ºC a 30ºC, con un aumento del 10 % por cada incremento de 1ºC en el género Nitrosomonas (Gerardi, ., 2002). En general, la velocidad del proceso disminuye mucho para valores bajos de temperatura, siendo muy difícil que se lleve a cabo la nitrificación. En estas condiciones es necesario operar con edades de fango altas para que pueda llevarse a cabo el proceso de manera eficaz (González et al., 2010). Por debajo de los 10 ºC la tasa de nitrificación cae de forma brusca. Por encima de los 10ºC la nitrificación aumenta casi de forma proporcional a la temperatura. Las bacterias del género Nitrosomonas aisladas de los fangos activos tienen una tasa de crecimiento óptimo a 30ºC, por tanto generalmente esta se considera la temperatura ideal para el proceso de nitrificación. Por debajo de los 4ºC no hay

crecimiento de Nitrosomonas ni de Nitrobacter, tal como se observa en la tabla 1 (Gerardi, 2002).

Debido a la disminución de la actividad y la reproducción de bacterias nitrificantes a bajas temperaturas, se hace necesario para mejorar la efectividad del proceso un aumento del Tiempo de Retención Celular (TRC). Véase la tabla 2 (Gerardi, 2002).

Tabla 1. Efecto de la Tª en el proceso de nitrificación (Gerardi M, 2002).

Tª Efecto sobre la nitrificación

> 45ºC Se para al nitrificación

28 – 32ºC Rango de Tª óptimo

16ºC Aproximadamente el 50% de la velocidad óptima

10 ºC Reducción significativa de la velocidad de nitrificación. 20% de la velocidad óptima

> 5ºC Se para la nitrificación

Tabla 2. Tª y TRC requerido para la nitrificación (Gerardi, 2002).

Tª Tiempo de retención celular

10ºC 30 días

15ºC 20 días

20ºC 15 días

25 ºC 10 días

30ºC 7 días

La inhibición por temperaturas bajas es

mayor para Nitrobacter que para Nitrospira, por lo tanto es común que los iones nitrito se acumulen a bajas temperaturas (Gerardi, 2002). 1.2.2. Alcalinidad y pH

El pH influye sobre la tasa de crecimiento de las bacterias nitrificantes. Se ha observado que la tasa máxima de nitrificación se produce entre valores de 7.2 a 9.0 aproximadamente, a valores inferiores a 6.5 la velocidad de nitrificación se reduce de forma brusca (González et al., 2010).

4 Análisis de las correlaciones del proceso de nitrificación

La alcalinidad se define como la capacidad que tiene un agua de neutralizar ácidos, debido principalmente a su contenido en bicarbonatos (HCO3

-), carbonatos (CO32-) e

hidróxidos (OH-) de calcio, magnesio y sodio. Generalmente las aguas residuales son alcalinas, reciben su alcalinidad de las aguas potables, compuestos presentes en las infiltraciones de las aguas subterráneas y químicos procedentes del sistema de alcantarillado (Gerardi, 2002). La alcalinidad disminuye durante el proceso de nitrificación, debido a que esta es utilizada como fuente de carbono por las bacterias nitrificantes y por la generación de iones hidrógeno (H+) y de iones nitrito durante el proceso (Gerardi, 2002).

NH4+ + 1.5O2 → 2H+ + NO2

- +2H2O

En la generación de iones hidrógeno durante la oxidación del amonio también se produce ácido nitroso (HNO2), con el resultado de una disminución de la alcalinidad. La cantidad de ácido nitroso y de iones nitrito producidos depende del pH del tanque de aireación (Gerardi, 2002).

H+ + NO2

- → HNO2

En la tabla 3 se muestra como afecta los

diferentes rangos de pH en el proceso de nitrificación.

1.2.3. Necesidades de oxígeno

La concentración de oxígeno disuelto (OD) puede convertirse en un factor limitante, debido a que la velocidad de crecimiento de las bacterias nitrificantes autótrofas se reduce significativamente a concentraciones bajas de OD (González et al., 2010). La concentración óptima de OD para lograr una buena nitrificación se sitúa en 2 - 3 mg/L.

Los factores responsables de la limitación de OD para la nitrificación son la falta de

difusión de oxígeno a través de los flóculos y la competencia por el oxígeno por parte de otros organismos aerobios. El aumento de la concentración de OD puede acelerar la nitrificación, permitiendo una mejor penetración de este en las partículas del flóculo y por tanto su acceso a las bacterias nitrificantes (Gerardi, 2002).

En la tabla 4 se indica la influencia de la concentración de OD en el proceso de nitrificación.

Tabla 3. pH y nitrificación (Gerardi, 2002).

pH Impacto en la nitrificación

4.0 – 4.9 Presencia de bacterias nitrificantes. Ocurre nitrificación organotrófica

5.0 – 6.7 Nitrificación por bacterias nitrificantes. Velocidad de nitrificación lenta

6.7 – 7.2 Nitrificación por bacterias nitrificantes. Velocidad de nitrificación aumenta

7.2 – 8.0 Nitrificación por bacterias nitrificantes Velocidad de nitrificación constante.

7.5 – 8.5 Nitrificación por bacterias nitrificantes

Tabla 4. Influencia del OD en la nitrificación.

Concentración de OD Nitrificación alcanzada

< 0.5 mg/L Muy poca nitrificación, si ocurre

0.5 – 1.9 mg/L Nitrificación ineficiente

2.0 – 2.9 mg/L Nitrificación significativa

3 mg/L Máxima nitrificación

El OD debe estar bien distribuido en el

tanque de aireación y su nivel no se recomienda que sea inferior a 2 mg/L. Para oxidar 1 mg de amonio son necesarios 4.6 mg de O2 (Bitton, 1994). La cantidad de OD afecta a la actividad de las bacterias nitrificantes en función de la temperatura. Se observó en un reactor que, aun incrementando la concentración de OD desde 0.7 a 3.0 mg/L, a bajas temperaturas el efecto en la capacidad de eliminación de nitrógeno fue muy pequeño debido a la escasa actividad de las bacterias durante los meses de invierno (Wang et al.,

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2010). Yen et al., (2010) observaron en estudios llevados a cabo en un fermentador continuo que el porcentaje de BON del total de la comunidad bacteriana se incrementó de casi el 0% al 30% cuando aumentaron los niveles de OD desde 0.15 mg/L a 0.5 mg/L, mientras que el porcentaje de las BOA cambió muy poco en las distintas fases. Por tanto, los niveles bajos de OD pueden lograr una nitrificación parcial (Yen et al., 2010).

1.2.4. Concentración de amonio y nitrito

Los nutrientes pueden afectar y limitar la síntesis celular y el crecimiento bacteriano. Los principales nutrientes inorgánicos necesarios para los microorganismos son: N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na, Cl (Madigan et al., 2009).

El crecimiento de las BOA y BON siguen la cinética de Monod y dependen de las concentraciones de amonio y de nitrito respectivamente (Bitton, 1994). 1.2.5. La relación entre la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) y el Nitrógeno Kjeldahl Total (NKT) El agua residual afluente al proceso de fangos activos contiene una elevada concentración de materia orgánica y otros nutrientes que proveen a las bacterias del carbono y energía necesarias para su metabolismo, crecimiento y reproducción. La Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) incluye la total (DBOt), partículada (DBOp), soluble (DBOs), coloidal (DBOc), carbonosa (cDBO) y nitrogenada (nDBO) (Gerardi, 2002).

Las reacciones bioquímicas de esta actividad metabólica se resumen en reacciones de síntesis de material celular y crecimiento así como reacciones catabólicas de degradación de sustratos oxidables para la producción de la energía necesaria en los procesos biosintéticos. En estas reacciones las bacterias consumen oxígeno hasta que el

sustrato disponible se agota, comenzando la fase de metabolismo endógeno, caracterizado por un consumo mínimo de oxígeno. La DBO mide el consumo de oxígeno en una muestra debido a estas reacciones.

La DBO no sólo proporciona energía para las bacterias quimioorganotrofas y las bacterias nitrificantes (quimiolitótrofas) sino que también proporciona energía para las formas de vida más complejas en el proceso de fangos activos, incluyendo los protozoos y metazoos.

La fracción de organismos nitrificantes disminuye al aumentar la proporción de DBO5/NKT. En procesos combinados de eliminación de carbono y de nitrificación esta proporción es superior a 5, mientras que en los procesos en los que se separan ambos procesos, en la etapa de nitrificación la proporción es superior a 3 (Bitton, 2011). 1.2.6. Sustancias toxicas

Las bacterias nitrificantes son muy sensibles a numerosas sustancias tóxicas que pueden inhibir su crecimiento, provocando una disminución en la tasa de nitrificación o produciendo una elevada toxicidad que interrumpe completamente el proceso de nitrificación a causa de la muerte de las bacterias implicadas (Bitton, 1989).

Los compuestos orgánicos más tóxicos para las bacterias nitrificantes son el cianuro, tiourea, fenoles, anilinas y metales pesados como plata, mercurio, níquel, cromo, cobre y zinc (Bitton, 1994). La inhibición es temporal, en cambio la toxicidad se refiere a la pérdida permanente de la actividad enzimática o a daños irreversibles en la estructura celular. Aunque las bacterias nitrificantes pueden superar la inhibición aclimatándose y de este modo reparando los sistemas dañados de la enzima, la inhibición crónica puede reducir significativamente la tasa de crecimiento de las bacterias, lo que genera un "lavado" de la

6 Análisis de las correlaciones del proceso de nitrificación

población a través de la pérdida de bacterias en el efluente del decantador secundario o de los lodos (Gerardi, 2002).

Debido a la pequeña cantidad de energía disponible para la aclimatación, las bacterias nitrificantes son sensibles a muy bajas concentraciones de residuos inorgánicos y residuos orgánicos, véase la tabla 5 (Gerardi, 2002).

Wells et al., (2009) observaron que a pesar de que el cromo, níquel, mercurio, cadmio, zinc y cobre han demostrado tener efectos inhibitorios sobre la actividad de las BOA en cultivo puro y mixto, sólo el cromo y el níquel afluente tienen una correlación significativa con la variabilidad de BOA.

En la tabla 6 se agrupan las condiciones necesarias para el crecimiento óptimo de las bacterias nitrificantes (U.S. EPA, 1977).

Existen estudios que relacionan de una forma independiente la influencia de algunos parámetros operacionales y físico-químicos en el proceso de nitrificación. Sin embargo, la eficiencia del proceso en las EDAR es el resultado de la interacción de todos estos factores sobre la población de bacterias nitrificantes. Esto ocasiona que se puedan dar situaciones muy diferentes que hacen que cada EDAR se comporte de una forma única y distinta de las demás. Se hace necesario en este sentido estudios específicos en plantas depuradoras a escala real para estudiar la influencia conjunta de todas las variables sobre el proceso de nitrificación.

El objetivo de este artículo fue el estudio del grado de asociación, mediante el análisis de correlación bivariante, de los distintos parámetros operacionales y físico-químicos con los distintos estados y rendimientos del nitrógeno en el efluente de la EDAR QB.

Tabla 5. Concentraciones inhibidoras de algunos residuos inorgánicos y orgánicos (Gerardi, 2002).

Residuo Concentración (mg/L)

Residuo inorgánico

Cromo hexavalente 0.25

Cromo trivalente 0.05

Cobre 0.35

Cianuro 0.50

Mercurio 0.25

Níquel 0.25

Plata 0.25

Sulfato 500

Zinc 0.30

Residuo orgánico

Alcohol alílico 20.0

Anilina 8.0

Cloroformo 18.0

Mercaptobenzotiazol 3.0

Fenol 6.0

Escatol 7.0

Tioacetamida 0.5

Tiourea 0.1

Tabla 6. Variables de la nitrificación (U.S EPA, 1977).

Variables Valor

Rango de pH (95 % nitrificación) 7.2 – 8.4

Temperaturas permisibles (95% nitrificación), ºC 15-35

Temperatura óptima, ºC (aproximadamente) 30

Nivel de OD al caudal punta, mg/L > 1.0

SSVLM, mg/L 1200-2500

Metales pesados inhibidores de la nitrificación (Cu, Zn, Cd, Ni, Pb, Cr)

< 5 mg/L

Tóxicos orgánicos inhibidores de la nitrificación

Solventes Halógenos 0 mg/L

Fenol y Cresol < 20 mg/L

Cianuros y todos los compuestos de los cuales el ácido cianídrico se libera en la acidificación

< 20 mg/L

Requerimiento de Oxígeno (estequiométrico, lb O2/lb NH3-N) 4.6

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Los resultados pertenecen al proyecto ESTUDIO INTEGRADO DEL PROCESO DE FANGOS ACTIVOS que tiene como objetivo general, desde una visión integrada del sistema y tomando como base la metodología de los estudios realizados en bioindicación, avanzar en el conocimiento del proceso de fangos activos, que es el sistema más extendido para el tratamiento de las aguas residuales urbanas, aportando nuevos datos para su optimización y biomonitorización.

2. MATERIAL Y MÉTODOS

A continuación se describen los materiales y

la metodología empleada para la realización del presente estudio. 2.1. Toma de muestras Las muestras fueron tomadas en la EDAR QB (figura 1), que trata un caudal de 39.748 m3/día (datos EPSAR 2010) y una población servida de 141.689 habitantes equivalentes. Cuenta con un proceso biológico llevado a cabo en cuatro reactores AO de geometría rectangular (75 x 20 x 4.5 m). A continuación se presenta el esquema de funcionamiento de la EDAR QB.

Fig. 1– Diagrama de bloques de la EDAR.

Se han llevado a cabo campañas de muestreo con una frecuencia quincenal durante un año desde diciembre de 2008 hasta diciembre de 2009 (25 campañas). En la figura 2 se representa el esquema de la campaña indicándose la duración, origen y tipo de muestra. Esta ha tenido una duración de cuatro días repartidos de la siguiente forma en los tres primeros días (1, 2 y 3) se

muestreó afluente al reactor, y en el tercer día (3) se muestreó, además, efluente del decantador secundario. Las muestras fueron compuestas, obtenidas a partir de la mezcla de muestras simples horarias en relación al caudal. En el cuarto día (4) se tomó una muestra de licor mezcla en el reactor biológico, siendo esta de tipo simple y de carácter puntual a la salida del mismo.

8 Análisis de las correlaciones del proceso de nitrificación

Día 1 2 3 4

Muestra Afluente al reactor Afluente al reactor y efluente

decantador secundario Licor mezcla

Tipo de muestra Compuesta (horaria) Simple (puntual)

Fig. 2- Esquema campaña de muestreo.

Tabla 7. Parámetros físico-químicos analizados en el afluente al reactor y efluente decantador secundario.

Afl. reactor Efl. dec. secundario

Parámetro Abreviatura Ud Día 1,2 Día 3 Día 3

Demanda Química de Oxígeno DQO mg/L x x x

Demanda Química de Oxígeno soluble DQOs mg/L x x x Demanda Bioquímica de Oxígeno a 5 días DBO5 mg/L x x x Demanda Bioquímica de Oxígeno filtrada a 5 días DBO5f mg/L - x x Nitrógeno total NT mg/L - x x Nitrógeno Total soluble NTs mg/L - x x Nitrógeno Kjeldhal Total NKT mg/L - x x Nitrógeno Kjeldhal Total soluble NKTs mg/L - x x Nitrógeno amoniacal N-NH4

+ mg/L - x x Nitrógeno nitroso N-NO3

- mg/L - - x Nitrógeno nítrico N-NO2

- mg/L - - x Tensioactivos Aniónicos TA mg/L - x x Níquel (mg/L) - mg/L - x - Zinc (mg/L) - mg/L - x - Fenoles (mg/L) - mg/L - x - Sulfatos (mg/L) - mg/L - x -

Cloruros (mg/L) - mg/L - x -

2.2. Parámetros físico-químicos En las tablas 7 y 8 se indican los parámetros físico-químicos utilizados en el presente estudio. Los días 1 y 2 se analizaron en el afluente al reactor DQO total, DQO soluble y DBO5, mientras que el día 3 se llevó a cabo un análisis completo del afluente y efluente. El objetivo del primer análisis fue estudiar la influencia de la carga orgánica y del segundo establecer el rendimiento del proceso biológico. El día 4 se procedió al análisis del licor mezcla.

Los parámetros se han determinado

siguiendo los procedimientos normalizados (APHA 1998). La fracción filtrada se ha obtenido a través de un filtro de lana de vidrio (Whatman GF/C), con un tamaño nominal de poro de 1.2 μm, y la fracción soluble se obtuvo a través de un filtro de 0.45 μm (Grady, 1989). Aunque el diámetro de las partículas coloidales está comprendido entre 0.001-1.2 μm (Metcalf y Eddy, 1991), se tuvieron en cuenta en el fraccionamiento aquellas comprendidas entre 0.45-1.2 μm.

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Tabla 8. Parámetros físico-químicos analizados en el licor mezcla.

Licor mezcla

Parámetros Abreviatura Ud. Dia 4

pH pHLM ud. x Conductividad CondLM mS/cm x Sólidos en Suspensión SSLM mg/L x Porcentaje Sólidos en Suspensión Volátiles %SSVLM % x Índice Volumétrico de Fango IVF mL/g x Nitrógeno Total NTLM mg/g SSVLM x Fósforo Total PTLM mg/g SSVLM x

Demanda Química de Oxígeno DQOLM g/g SSVLM x

Tabla 9. Parámetros operacionales.

Parámetro Símbolo Unidades Observaciones

Tiempo de retención hidráulico reactor

TRHr3, TRHr1, TRHr2a, TRHr2b horas

TRHr1: día 3 TRHr2a: promedio días 2 y 3 TRHr2b: promedio días 1 y 2 TRHr3: promedio días 1, 2 y 3

Carga másica CM1, CM2a, CM2b, CM3

kg DBO5/kg SSVLM.d kg DQOs/kg SSVLM.d

CM1: día 3 CM2a: promedio días 2 y 3 CM2b: promedio días 1 y 2 CM3: promedio días 1, 2 y 3

Edad de fango EF1, EF2, EF3, EF4, EF5, EF6,

EF7 días

EFX. Donde X = nº días anteriores empleados en e l sumatorio de las variables

Temperatura rector Tªr ºC

Oxígeno disuelto reactor ODb, ODm, ODa %

ODb: < 0.8 mg/L ODm: 0.8-2 mg/L ODa: >2 mg/L

2.3. Parámetros operacionales Se solicitó a la EDAR QB los datos relativos a los siete días anteriores al día del muestreo del licor mezcla (día 4) para el cálculo de los parámetros operacionales (Metcalf y Eddy, 1991). Los parámetros utilizados en el presente estudio se muestran en la tabla 9.

Debido a la inercia en el proceso biológico de algunos parámetros operacionales, como la carga orgánica afluente al reactor biológico (Salvadó et al., 1993), se han calculado para su estudio variables con valores promedio (CM y TRHr)

a excepción de la edad del fango (EF). Esta fue calculada a partir del sumatorio de sus variables correspondientes hasta los siete días anteriores a la toma de muestras del licor mezcla (día 4). De esta forma, se obtuvieron para su estudio siete expresiones distintas (EF1-EF7).

Los valores de oxígeno disuelto en el reactor fueron distribuidos en tres intervalos (0.8, 0.8-2 y >2 mg/L) y expresados en porcentaje de tiempo (%). Los datos correspondieron a medidores on line situados en la parte final del reactor biológico.

10 Análisis de las correlaciones del proceso de nitrificación

2.4. Análisis estadístico Dentro del análisis estadístico, se realizó en primer lugar un cálculo de los valores mínimos, máximos, medios y la desviación estándar de cada una de las variables operacionales y físico-químicas utilizadas. Para evaluar la relación entre pares de variables se realizó un análisis bivariante, calculándose los coeficientes de Pearson (prueba paramétrica) y Spearman (prueba no paramétrica). Previamente se comprobó la distribución de la normalidad de los datos obtenidos de las distintas variables mediante los test de Curtosis y Asimetría. Se realizó la siguiente transformación en aquellas cuyos datos no mostraron una distribución normal (Esteban et al., 1991):

Variable = Ln (variable + 1) El tratamiento estadístico se realizó con

el programa SPSS versión 18. Aunque no existen valores

estandarizados, a título indicativo se muestra (tabla 10) una interpretación de los valores de los coeficientes de correlación por intervalos.

Tabla 10. Intervalos de los coeficientes de correlación.

Coeficiente Interpretación

0 Relación nula

0 – 0.2 Relación muy baja

0.2 – 0.4 Relación baja

0.4 – 0-6 Relación moderada

0.6 – 0.8 Relación alta

0.8 - 1 Relación muy alta

1 Relación perfecta

En la prueba de significación asociada a

ambos coeficientes se han utilizado los niveles p < 0.05 y p < 0.01. El nivel de significación 0.05 se considera un nivel de error aceptable en muchas áreas de estudio. Por último, es importante tener presente cual es la verdadera interpretación de estos coeficientes y qué es exactamente lo que

estamos probando al realizar la prueba estadística, dado que aunque en estos casos se rechace la hipótesis nula y no se pueda demostrar que existe una relación lineal entre ambas variables, sí que es posible que exista otro tipo de relación (polinómica, logarítmica, entre otras), mesurable con otras técnicas que requieren de transformaciones y modelos más complejos. Para una mejor visualización de los datos, se omitieron en las tablas de resultados aquellos coeficientes que no mostraron al menos alguno de los niveles de significación indicados.

3. RESULTADOS Los resultados presentados a continuación corresponden a un análisis preliminar de los datos obtenidos, quincenalmente durante un año (n=25), en la EDAR QB. En el análisis bivariante se estudió el grado de relación entre dos variables dentro de la matriz de datos, teniendo presente que las variables pueden estar relacionadas entre si directamente o influenciadas por otras.

Las tablas 11 y 12 muestran los valores medios, mínimos, máximos y desviación estándar de cada uno de los parámetros operacionales y físico-químicos correspondientes a los rendimientos de eliminación y distintos estados del nitrógeno del efluente y afluente (tabla 13).

Los coeficientes de correlación entre las expresiones de la edad de fango (EF1-EF7) y los rendimientos de eliminación del nitrógeno y sus diferentes estados en el efluente se muestran en la tabla 14. En general, se observó una correlación negativa moderada de la edad del fango frente a las formas reducidas del nitrógeno (N-NH4

+, N-NO2

-,

NKTs). A pesar de que el NTs también incluye las formas oxidadas del nitrógeno, se observó una correlación

Zornoza et al 11

Tabla 11. Valor medio, mínimo, máximo y desviación estándar (DE) de los parámetros operacionales. Variable Media Mín.-máx. DE

CM1 (Kg DBO5/kg SSVLM.d) 0.25 0.09-0.85 0.16 CM2a (Kg DBO5/kg SSVLM.d) 0.23 0.10-0.64 0.12 CM2b (Kg DBO5/kg SSVLM.d) 0.18 0.08-0.33 0.07 CM3 (Kg DBO5/kg SSVLM.d) 0.20 0.08-0.47 0.09 CM1 (Kg DQOs/kg SSVLM.d) 0.23 0.10-0.92 0.17 CM2a (Kg DQOs/kg SSVLM.d) 0.21 0.09-0.69 0.12 CM2b (Kg DQOs/kg SSVLM.d) 0.16 0.06-0.29 0.06 CM3 (Kg DQOs/kg SSVLM.d) 0.18 0.10-0.49 0.09 EF1 (días) 39.9 3.0-785 155 EF2 (días) 11.9 2.9-52 10.3 EF3 (días) 12 3.5-36 7.2 EF4 (días) 11 4.6-28 5.7 EF5 (días) 10.8 5.1-32 6.1 EF6 (días) 10.8 5.3-31 6.1 EF7 (días) 10.8 5.2-29 5.7 TRHr1 (h) 14.3 8.7-25 3.3 TRHr2a (h) 15.4 10.7-23.6 2.6 TRHr2b (h) 18.4 14.8-24.4 2.3 TRHr3 (h) 17 13.5-22 2 ODb (%) 33 5-69 18 ODm (%) 62 12-95 19 ODa (%) 5 0-40 10

Tabla 12. Valor medio, mínimo, máximo y desviación estándar (DE) de los parámetros físico-químicos en el afluente y licor mezcla. Parámetro Media Mín.-máx. DE

pH (ud.) LM 7.44 7.05-7.79 0.18

Conductividad (µS/cm) LM 2042 1330-2740 425 Tºr (ºC) LM 21 14-29 4

SSLM (mg/L) LM 2460 1790-3120 386

SSVLM (%) LM 79 68-87 4

IVF (mL/g) LM 119 59-167 27

NT (mg/g SSVLM) LM 71 41-108 21

PT (mg/g SSVLM) LM 29 19-40 5

DQO (g/g SSVLM) LM 1.42 1.25-1.63 0.10

T. aniónicos (mg/L) Afl. 3.3 1.2-7.5 1.8

DQOs1 (%) Afl. 52 42-75 8

DQOs2a (%) Afl. 51 43-70 6

DQOs2b (%) Afl. 47 28-63 6

DQOs3 (%) Afl. 49 37-61 5

Níquel (mg/L) Afl. 0.13 <0.02-0.45 0.18

Zinc (mg/L) Afl. 2.10 0.18-4.02 1.32

Fenoles (mg/L) Afl. 0.94 0.37-2.05 0.49

Sulfatos (mg/L) Afl. 221 159-293 35

Cloruros (mg/L) Afl. 341 133-520 94 DB05/NKT Afl. 4.5 2.7-7.9 1.1 DB05f/NKTs Afl. 3.3 1.9-8.0 1.4 DQOs/NKTs Afl. 4.9 2.9-10.1 1.5

Tabla 13. Valor medio, mínimo, máximo y desviación estándar (DE) de los rendimientos y estados del nitrógeno en el afluente (Afl) y efluente (Efl) al reactor. Parámetro Media Mín..-máx. DE

NTs (mg/L) Afl. 45 24- 72 16 NTs (mg/L) Efl. 18.7 5.6-45 11.3 rNTs (%) 61 28-83 15 N-NH4

+ (mg/L) Afl. 40 24-62 12 N-NH4

+ (mg/L) Efl. 9.2 0.1-32.6 9.7 rN-NH4

+ (%) 80 42-100 19 N-NO2

- (mg/L) Efl. 1.36 0.04-5.67 1.47 N-NO3

- (mg/L) Efl. 6.2 0.4-11.1 2.6 NKTs (mg/L) Afl. 45 24-72 16 NKTs (mg/L) Efl. 11.1 1.0-36.0 10.4 rNKTs (%) 78 45-96 17

negativa, probablemente por el N-NO2

- presente en el efluente. Respecto a los rendimientos de eliminación del nitrógeno, especialmente se ha obtenido una correlación positiva moderada del rN-NH4

+

con la EF. No se observó correlación significativa con el rNKTs. Los escasos valores de correlación significativos obtenidos con el rNTs y la ausencia de estos en el caso del N-NO3

- podrían ser debidos a la eficiencia en el proceso de desnitrificación. La EF6 y EF7 mostraron las correlaciones y niveles de significación más altos en pruebas no paramétricas (C. Sperman).

La carga másica (CM) presentó una correlación positiva alta con las formas reducidas del nitrógeno y negativa con sus rendimientos de eliminación (tabla 15). Las CM expresadas como CM2b y CM3 mostraron ocasionalmente valores de correlación ligeramente superiores a CM1 y CM2a, y en el caso del N-NO2

- claramente

superiores. Los coeficientes obtenidos de la CM calculada con el parámetro DQOs fueron aproximadamente del mismo orden que los calculados con la DBO5. La ausencia de coeficientes significativos con el N-NO3

- pudo ser debido a la eficiencia en el proceso de desnitrificación.

12 Análisis de las correlaciones del proceso de nitrificación

Tabla 14. Coeficientes de correlación entre la edad de fango y los diferentes rendimientos y estados del nitrógeno del efluente. EF1 EF2 EF3 EF4 EF5 EF6 EF7

NTs C. P -0.44* -0.47* -0.48* -0.45* -0.50*

C. S -0.43* -0.45* -0.48* -0.54** -0.55** -0.58** rNTs C. P

C. S 0.40* -0.41* N-NH4

+ C. P -0.46* -0.48* -0.48* -0.42* -0.47*

C. S -0.45* -0.44* -0.47* -0.49* -0.52** -0.53** rN-NH4

+ C. P C. S 0.44* 0.42* 0.42* 0.41* -0.41* 0.42*

N-NO2- C. P -0.44* -0.48* -0.49* -0.46* -0.44* -0.48*

C. S -0.41* -0.49* -0.42* -0.45* -0.51** -0.52** -0.52** N-NO3

- C. P

C. S NKTs C. P

C. S -0.43* -0.46* -0.48* -0.51** -0.52** rNKTs C. P

C. S Nivel de significación: ** p < 0.01, * p < 0.05

Tabla 15. Coeficientes de correlación entre la carga másica y los diferentes rendimientos y estados del nitrógeno del efluente.

CM1

(DBO5)

CM2a (DBO5

)

CM2b (DBO5

)

CM3 (DBO5

)

CM1 (DQOs)

CM2a (DQOs)

CM2b (DQOs)

CM3 (DQOs)

NTs C. P 0.59** 0.59** 0.71** 0.69** 0.57** 0.55** 0.56** 0.62**

C. S 0.67** 0.68** 0.69** 0.74** 0.72** 0.63** 0.59** 0.70** rNTs C. P -0.43* -0.44* -0.47* -0.48* -0.44* -0.46* -0.43* -0.48*

C. S -0.51** -0.54** -0.48* -0.54** -0.58** -0.57** -0.44** -0.54** N-NH4

+ C. P 0.65** 0.66** 0.69** 0.71** 0.63** 0.63** 0.57** 0.67** C. S 0.75** 0.76** 0.78** 0.76** 0.82** 0.75** 0.60** 0.75** rN-NH4

+ C. P -0.57** -0.59** -0.61** -0.63** -0.58** -0.60** -0.56** -0.63** C. S -0.68** -0.71** -0.60** -0.69** -0.77** -0.71** -0.54** -0.69** N-NO2

- C. P 0.57** 0.42* 0.47* C. S 0.45* 0.50* 0.66** 0.61** 0.48* 0.45* 0.60** 0.60** N-NO3

- C. P

C. S NKTs C. P 0.66** 0.67** 0.75** 0.75** 0.64** 0.64** 0.61** 0.67** C. S 0.76** 0.79** 0.78** 0.83** 0.83** 0.79** 0.70** 0.82** rNKTs C. P -0.59** -0.61** -0.62** -0.65** -0.60** -0.62** -0.59** -0.64**

C. S -0.68** -0.73** -0.67** -0.72** -0.79** -0.76** -0.59** -0.73** Nivel de significación: ** p < 0.01, * p < 0.05

Los coeficientes de correlación entre el tiempo de retención hidráulico (TRHr), temperatura (Tªr), oxígeno disuelto en el reactor (OD) y los rendimientos de eliminación y diferentes estados del nitrógeno del efluente se muestran en la tabla 16. Se observó una correlación negativa del TRHr con las formas reducidas del nitrógeno (N-NH4

+ y N-NO2

-), siendo el

TRHr2b y TRHr3 los que mostraron mayores niveles de significación. No se observó prácticamente correlación significativa con el OD en el reactor. La Tªr se correlacionó negativamente con la especie intermedia (N-NO2

-). La correlación negativa observada de la concentración de NTs y N-NO3

- con la Tªr podría tener relación con la eficiencia del proceso de desnitrificación.

Zornoza et al 13

Tabla 16. Coeficientes de correlación entre el tiempo de retención hidráulico, oxígeno, temperatura en el reactor y los diferentes rendimientos y estados del nitrógeno del efluente.

TRHr1 TRHr2a TRHr2b TRHr3 ODb ODm ODa Tªr

NTs C. P -0.48* -0.45*

C. S 0.41* -0.56** -0.43* -0.50*

rNTs C. P

C. S N-NH4

+ C. P -0.41* C. S -0.47* -0.49* rN-NH4

+ C. P C. S 0.45* N-NO2

- C. P -0.54** -0.58** -0.46*

C. S -0.56** -0.51** -0.52** N-NO3

- C. P 0.49* 0.46* -0.47*

C. S 0.68** 0.77** -0.50*

NKTs C. P C. S -0.50* -0.49* rNKTs C. P

C. S 0.42* Nivel de significación: ** p < 0.01, * p < 0.05

Tabla 17. Coeficientes de correlación entre los tensioactivos aniónicos, DQO soluble afluente al reactor y los diferentes rendimientos y estados del nitrógeno del efluente.

TA %DQOs1 %DQOs2a %DQOs2b %DQOs3

NTs C. P 0.51* 0.43*

C. S 0.45* rNTs C. P -0.43* -0.48*

C. S -0.53** N-NH4

+ C. P 0.56** C. S 0.57** rN-NH4

+ C. P -0.49* -0.60** C. S -0.58** N-NO2

- C. P C. S N-NO3

- C. P -0.55* -0.44* C. S -0.50* -0.41* NKTs C. P 0.40* 0.56** C. S 0.53** rNKTs C. P -0.46* -0.64**

C. S -0.59** -0.43* Nivel de significación: ** p < 0.01, * p < 0.05

Los coeficientes de correlación entre los tensioactivos aniónicos (TA), distintos promedios del porcentaje de DQO soluble afluente (%DQOs) y los rendimientos de eliminación y diferentes estados del nitrógeno del efluente se presentan en la tabla 17. En los resultados obtenidos se

observó una correlación negativa moderada de la concentración de TA y %DQOs1 frente a los rendimientos del proceso de nitrificación. Los coeficientes de correlación significativos con el %DQOs2a, %DQOs2b, %DQOs3 estuvieron prácticamente ausentes.

14 Análisis de las correlaciones del proceso de nitrificación

La evolución del rendimiento de eliminación del NKTs frente a la CM3 y %DQOs1 fue claramente inverso (figura 3). En algunos muestreos (12 – 18) los niveles bajos de CM3 junto con valores bajos de %DQOs1 coincidieron con valores altos de rNKTs. En ocasiones (p.e 19, 20, 24) también se presentaron valores bajos de

CM3 junto con elevado %DQOs1, observándose por el contrario una disminución del rNKTs. Según los resultados obtenidos, cuando los valores de %DQOs1 y CM3 se situaron por encima del 50 % y 0,30 kg DBO5/Kg SSVLM.d se observó una disminución del rendimiento del proceso de nitrificación.

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Muestreos

rNKT

s (%

) - D

QO

s (%

)

0,0

0,3

0,6

CM

3 (K

g D

BO5/

Kg S

SVLM

.d)

rNKTs %DQOs1 CM3

Fig. 3– Representación de la carga másica (CM3) y DQO soluble (%DQOs1) frente al rNKTs.

En la figura 4 se ha representado la

evolución del rendimiento de eliminación de NKTs frente a la concentración de TA del afluente al reactor. Si comparamos los muestreos 7, 8 y 9 (CM3 similar) con los de

la figura anterior, se puede observar como el incremento de TA por encima de 6 mg/L coincidió con una disminución del rNKTs (8 y 9).

40

50

60

70

80

90

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25Muestreos

rKTs

(%)

0

2

4

6

8

10

12

TA (m

g/L)

rNKTs TA

Fig. 4 – Representación de los tensioactivos aniónicos (TA) frente al rNKTs.

Zornoza et al 15

El níquel presentó una correlación positiva moderada y alta con las especies reducidas del nitrógeno y negativa con sus rendimientos de eliminación (tabla 18). Los fenoles presentaron tan solo correlación positiva moderada con las especies reducidas y el zinc el efecto contrario al

níquel. Las correlaciones significativas con sulfatos, cloruros y DBO5f/NKTs estuvieron prácticamente ausentes. La relaciones DBO5/NKT y DQOs/NKTs mostraron una correlación positiva moderada con el N-NH4

+, NKTs y negativa con sus rendimientos de eliminación.

Tabla 18. Coeficientes de correlación entre parámetros físico-químicos afluente al reactor y los diferentes rendimientos y estados del nitrógeno del efluente.

Níquel Zinc Fenoles Sulfatos Cloruros DB05/NKT DB05f/NKTs DQOs/NKTs

NTs C. P 0.72** -0.68** 0.44* 0.42* 0.41*

C. S 0.74** -0.73** rNTs C. P -0.44*

C. S -0.51* 0.48* N-NH4

+ C. P 0.57** -0.58* 0.42* 0.43*

C. S 0.58** -0.57** 0.48* 0.48* 0.45*

rN-NH4+ C. P -0.43* 0.42* -0.52**

C. S -0.48* 0.47* -0.46* -0.49*

N-NO2- C. P 0.69** -0.42* 0.55*

C. S 0.69** 0.49* N-NO3

- C. P -0.42* -0.49*

C. S 0.41* -0.51* -0.51* -0.48*

NKTs C. P 0.61** -0.58* 0.44* 0.45*

C. S 0.62** -0.56* 0.53* 0.50* 0.46*

rNKTs C. P -0.42* 0.41* -0.45* -0.56**

C. S -0.43* -0.53** -0.62** Nivel de significación: ** p < 0.01, * p < 0.05

0123456789

1011

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Muestreos

DBO

5/N

KT

0

20

40

60

80

100

rNKT

(%)

DBO5/NKT rNKT

Fig. 5 – Representación de la relación DBO5/NKT frente al rNKT.

Los muestreos que presentaron una relación DBO5/NKT mayor que 5 (7, 8, 9 y

11) coincidieron con valores de rNKT menor del 70% (figura 5).

16 Análisis de las correlaciones del proceso de nitrificación

Los coeficientes de correlación entre parámetros físico-químicos del licor mezcla y los rendimientos de eliminación y diferentes estados del nitrógeno del efluente se muestran en la tabla 19. En los resultados obtenidos se observó correlación positiva moderada y alta de la conductividad del licor mezcla (CondLM) con las especies reducidas del nitrógeno, mientras que la correlación fue negativa con sus rendimientos de eliminación. Las correlaciones significativas

con SSLM, pH, IVF y PTLM estuvieron prácticamente ausentes. Se observó un grupo de variables (%SSVLM, NTLM, DQOLM) relacionadas entre si que presentaron de forma general una correlación positiva moderada con las especies reducidas del nitrógeno y negativa con sus rendimientos. De todas ellas la DQOLM fue la que mostró mayores coeficientes.

Tabla 19. Coeficientes de correlación entre parámetros físico-químicos del licor mezcla y los diferentes rendimientos y estados del nitrógeno del efluente.

SSLM pHLM CondLM %SSVLM IVF NTLM PTLM DQOLM

NTs C. P 0.77** 0.43* 0.53** 0.57**

C. S 0.76** 0.49* 0.53** 0.57** rNTs C. P -0.49*

C. S -0.51* -0.42*

N-NH4+ C. P 0.70** 0.48* 0.42* 0.52**

C. S 0.71** 0.46* 0.40* 0.53** rN-NH4

+ C. P -0.56** -0.41*

C. S -0.62** -0.42* -0.44*

N-NO2- C. P -0.43* 0.74** 0.62** 0.61**

C. S 0.74** 0.56** 0.62** N-NO3

- C. P 0.41*

C. S

NKTs C. P 0.74** 0.54** 0.45* 0.51*

C. S 0.77** 0.55** 0.48* 0.56** rNKTs C. P -0.56**

C. S -0.61** -0.46* -0.44* Nivel de significación: ** p < 0.01, * p < 0.05

4. DISCUSIÓN Los factores ambientales (parámetros operacionales y físico-químicos) asociados, según los rangos de las tablas 10 y 11, al proceso de nitrificación en la EDAR QB fueron los siguientes:

4.1. Edad del fango y temperatura en el reactor biológico La EF y la Tªr están íntimamente relacionas en el proceso de nitrificación debido a la baja

tasa de crecimiento de las BOA y BON. La Tªr, al ser una variable que viene impuesta por la estacionalidad, establece la EF a mantener en el reactor biológico. Según los resultados obtenidos la EF alta favorece el proceso de nitrificación (Gerardi, 2002) y de las siete expresiones estudiadas; la EF6 y EF7 fueron las más significativas en el proceso. Estas expresiones minimizan el efecto de los días sin purga de fangos en exceso y se correspondieron con la mejor estabilidad de la población nitrificante. La Tªr, que osciló entre 14 y 29 ºC, no presentó una

Zornoza et al 17

influencia significativa en la eficiencia del proceso de nitrificación. Tan solo se observó una asociación de la concentración de NO2

- a bajas Tªr. Esta observación podría justificarse por la presencia durante todo el estudio del género Nitrospira (Avendaño, 2011), cuya inhibición por temperaturas bajas es menor que para Nitrobacter (Gerardi, 2002).

La ausencia de correlaciones significativas con la Tªr pudo ser debida a la adecuada EF de fango con la que operó la EDAR QB. 4.2. Carga másica y porcentaje de DQO soluble Los elevados coeficientes de correlación indicaron que los periodos de cargas másicas altas y sobrecargas puntuales tuvieron un efecto negativo en el proceso de nitrificación. Durante estos periodos existe la posibilidad del paso de materia orgánica sin oxidar del selector anóxico a la zona óxica, originando condiciones que favorecen el crecimiento de la población heterótrofa y por consiguiente una limitación de oxígeno para la población autótrofa. En estos casos se favorece la presencia de elevadas concentraciones de especies reducidas del nitrógeno (NO2

- y NH4+). No se observaron

diferencias muy importantes entre las distintas expresiones de la carga másica, debido probablemente a que la EDAR QB no presentó variaciones diarias bruscas de la misma. De todas ellas la CM2b y CM3 presentaron valores más significativos que el resto respecto a la concentración de NO2

-, por lo que se convierten en las mejores candidatas en QB para el seguimiento de la carga másica en el control del proceso de nitrificación. Los coeficientes de correlación obtenidos de la carga másica calculada con el parámetro DQOs, al ser aproximadamente del mismo orden que los calculados con la

DBO5, lo hacen interesante como parámetro de rutina operacional de carga, cuyo cálculo puede realizarse en escasas horas frente a los cinco días necesarios para la determinación de la DBO5. Los valores aproximadamente por encima de 0.30 Kg DBO5/Kg SSVLM se presentaron como susceptibles de influir en el proceso.

En los resultados obtenidos se pudo comprobar la influencia negativa del aumento en porcentaje de DQO soluble en el afluente al reactor sobre el proceso de nitrificación. El aumento de la fracción soluble, aunque no diferencie entre fracción biodegradable y lentamente biodegradable, implica una mayor disponibilidad del sustrato y por tanto condiciones favorables de crecimiento de la población heterótrofa frente a la autótrofa. La expresión del porcentaje de DQO soluble (%DQOs1), día anterior al análisis del licor mezcla (día 4), se presenta como candidata en el control del proceso frente a los distintos promedios (DQOs2a, DQOs2b y DQOs3), los cuales presentaron ausencia de correlación significativa. Los valores aproximadamente por encima de 50% de DQOs1 se presentaron como susceptibles de influir en el proceso. 4.3. Oxígeno disuelto El oxígeno disuelto en QB se situó por debajo de 2 mg/L el 95% del tiempo (tabla 11). Estos valores se encontraron en el intervalo 0.5-1.9, donde la nitrificación alcanzada es considerada ineficiente (Bitton, 1994). No se observaron coeficientes de correlación significativos con los niveles de oxígeno mantenidos en el reactor biológico, no siendo este un factor limitante del proceso. El conocimiento de la dinámica poblacional de los diferentes géneros y especies de bacterias nitrificantes es de suma importancia para el estudio específico

18 Análisis de las correlaciones del proceso de nitrificación

de las variables que afectan al proceso (Avendaño, 2011). En el caso del oxígeno disuelto, Schramm et al., 1999 indicaron que el género Nitrospira es más competitivo con niveles más bajos de oxígeno que el género Nitrobacter, siendo el primero dominante durante el presente estudio (Avendaño, 2011). Esta dinámica poblacional podría ser la justificación por la cual la EDAR QB obtuvo buenos rendimientos de nitrificación, a pesar de que el oxígeno se encontrara por debajo de 2 mg/L durante la totalidad del estudio.

4.4. Tiempo de retención hidraúlico Un aumento del tiempo de retención hidráulico en el reactor implica una mayor capacidad, para una misma concentración de bacterias nitrificantes, de la oxidación de las especies reducidas del nitrógeno. Este hecho fue observado con la obtención de coeficientes de correlación significativos, principalmente en las expresiones TRHr2b y TRH3. Estas coinciden con el mismo número de días que las obtenidas en la carga másica (CM2b y CM3). La relación entre ambos tipos de variables se basa en que el efecto negativo de las cargas másicas altas puede ser minimizado en parte con el aumento del TRHr.

4.5. DBO5/NKT, DBO5f/NKTs, DQOs/NKTs Los resultados obtenidos coinciden con los de Bitton, (2011) sobre la disminución de la actividad nitrificante al aumentar la proporción de DBO5/NKT, siendo esta superior a 5 en procesos combinados de eliminación de carbono y de nitrificación. Al aumentar esta relación se produce un aumento de materia orgánica disponible, lo que favorece el crecimiento de las bacterias heterótrofas frente a las autótrofas. Se puso de manifiesto que valores superiores a esta

proporción coincidieron con rNKT inferiores al 70%. La relación DQOs/NKTs presentó mayor número de coeficientes de correlación que la DBO5/NKT, presentándose esta como una alternativa interesante para el control del proceso debido a la rapidez de la determinación de la DQO frente a la DBO5.

4.6. Parámetros físico-químicos del licor mezcla El valor del pH observado del licor mezcla no presentó una asociación significativa con el proceso. Este se situó dentro de los valores que producen una tasa máxima de nitrificación (González et al., 2010). Aunque la conductividad es un parámetro general que depende de la concentración de sales disueltas, su aumento en el licor mezcla puso de manifiesto, dentro del rango 1330-2740 µS/cm, una asociación negativa con el proceso de nitrificación. El porcentaje de SSVLM (%SSVLM), nitrógeno (NTLM) y DQO (DQOLM) también presentaron una asociación negativa con el proceso. Estos parámetros se encuentran relacionados entre si de forma que un incremento de la biomasa en el flóculo (mayor parte heterótrofa) se asocia de una forma aproximada con el incremento del %SSVLM y esto supone a su vez un aumento de la DQO, expresada en función de la concentración de SSVLM, y del contenido en nitrógeno (proteínas) principalmente de los biopolímeros. Estos resultados convierten a estas variables en interesantes para seguir estudiando sus variaciones sobre el proceso de nitrificación.

4.7. Sustancias tóxicas Los resultados de la asociación de sustancias toxicas estudiadas coinciden con la concentración mínima inhibidora para el níquel (Gerardi, 2002), observándose una asociación negativa con el proceso dentro

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del rango <0.02-0.45 mg/L. En el caso del zinc, a pesar de presentar valores por encima de la concentración mínima inhibidora y contrariamente a lo esperado, se asoció a momentos en los que se produjo una nitrificación eficiente. La concentración de fenoles y sulfatos, los cuales no sobrepasaron la concentración mínima, no mostraron una asociación negativa con el proceso.

5. CONCLUSIONES Aunque la metodología de estudio tenga aplicación práctica para las EDAR, las conclusiones obtenidas de la EDAR QB, deben tomarse como recomendaciones u orientaciones para el control en el resto de instalaciones.

El estudio del grado de las correlaciones significativas entre los parámetros operacionales y físico-químicos relacionados con el proceso biológico de nitrificación mostró que:

1. Altas cargas másicas se asociaron

negativamente con el rendimiento del proceso de nitrificación, siendo las variables CM2b y CM3 expresadas como DQO soluble las que muestran valores más altos de correlación y por lo tanto las más indicadas para el control operacional.

2. El porcentaje elevado de DQO soluble afluente al reactor se asoció negativamente con el rendimiento del proceso de nitrificación. El control de dicho porcentaje (%DOOs1) en el día anterior al análisis del licor mezcla se presenta como variable interesante a controlar.

3. La edad de fango alta se asoció positivamente con altos rendimientos en el proceso de nitrificación. De

todas las formas de expresión de la edad de fango estudiadas, aquellas calculadas a partir del sumatorio de sus variables de los 6 (EF6) y 7 días (EF7) anteriores al análisis del licor mezcla, se proponen como las más interesantes para el control operacional.

4. La temperatura en el reactor biológico no influyó de forma significativa en el proceso de nitrificación, debido probablemente a la adecuada edad de fango mantenida durante el periodo de estudio.

5. La concentración de oxígeno disuelto en el reactor no influyó de forma significativa, aun estando en el intervalo considerado como poco eficiente (<2 mg/L). Este hecho pone de manifiesto que una adecuada combinación en los valores de otras variables operacionales, hace posible operar con bajos niveles de oxígeno.

6. Un tiempo de retención hidráulico alto se asoció positivamente con el rendimiento del proceso de nitrificación, siendo las más significativas las relaciones de TRHr promedio de operación de dos (TRH2a) o tres días (TRHr3) anteriores al análisis del licor mezcla y, por lo tanto, las más indicadas para el control de la planta.

7. La relación DQOs/NKTs se presenta como una alternativa plausible frente a la relación, ya conocida, DBO5/NKT.

8. Cuando la concentración de zinc fue superior a la concentración mínima inhibidora, no se asoció de forma negativa al proceso.

9. La elevada conductividad del licor mezcla (CondLM) se asoció de forma

20 Análisis de las correlaciones del proceso de nitrificación

negativa con el proceso de nitrificación, por lo que este representa un parámetro de gran utilidad para el control del proceso. Las variables DQO, nitrógeno y fracción volátil del licor mezcla se asociaron de forma significativa con el proceso de nitrificación, por lo que sería interesante completar su estudio.

AGRADECIMIENTOS

Este estudio forma parte del proyecto de investigación ESTUDIO INTEGRADO DEL PROCESO DE FANGOS ACTIVOS financiado por la Entidad Pública de Saneamiento de Aguas Residuales de la Generalitat Valenciana (EPSAR) y el proyecto CGL2008-02310 del Ministerio de Ciencia e Innovación. Queremos agradecer la colaboración de la empresa AVSA-EGEVASA. REFERENCIAS APHA-AWWA-WEF., 1998. Standard

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