Ciclo del nitrgeno El ciclo del nitrgeno es uno de los procesos
biolgicos que se basa el suministro de este elemento a los seres
vivos. Es uno de los ciclos biogeoqumicos que se basa el equilibrio
dinmico de composicin de la biosfera terrestre.
Ciclo del nitrgeno
Al final todo el nitrgeno atmosfrico habra terminado, tras su
conversin, disuelto en el mar. Los ocanos seran ricos en nitrgeno,
pero los continentes estaran prcticamente desprovistos de l,
convertidos en desiertos biolgicos, si no existieran otros dos
procesos, mutuamente simtricos, en los que est implicado el
nitrgeno atmosfrico (N2). La fijacin de nitrgeno, que origina
compuestos solubles a partir del N2, y la desnitrificacin, una
forma de respiracin anaerobia que devuelve N2 a la atmsfera. De
esta manera se mantiene un importante depsito de nitrgeno en el
aire (donde representa un 78% en volumen).
Desnitrificacin La desnitrificacin es la reduccin del ion
nitrato (NO3), presente en el suelo o el agua, a nitrgeno molecular
o diatmico (N2). Por su lugar en el ciclo del nitrgeno este proceso
es el opuesto a la fijacin del nitrgeno. Es un proceso que usa el
nitrato como aceptor terminal de electrones en condiciones anxicas
(ausencia de oxgeno).
Desnitrificacin. El proceso de reduccin de nitratos hasta
nitrgeno gas ocurre en etapas seriales, catalizadas por sistemas
enzimticos diferentes, apareciendo como productos intermedios
nitritos, xido ntrico y xido nitroso: NO3- NO2- NO N2O N2 El
proceso puede expresarse como: nitrato nitrito xido ntrico xido
oxitroso nitrgeno molecular Expresado como reaccin redox: 2NO3- +
10e- + 12H+ N2 + 6H2O
Desnitrificacin Existen ms de 50 gneros de bacterias que pueden
llevar a cabo la desnitrificacin. Las bacterias desnitrificantes ms
comunes incluyen: Pseudomonas, Alcaligenes, Paracoccus, Thiobaci
llus, Rhizobium, Thiosphaera, entre otros. La capacidad
desnitrificante se ha encontrado en arqueas y hongos. Colonizacin
de la biosfera por
Pseudomonas fluorescens F113 Fuente: Blog Microambiente
Desnitrificacin La desnitrificacin requiere un sustrato oxidable
ya sea orgnico o inorgnico que acte como fuente de energa, por lo
que la desnitrificacin puede llevarse a cabo tanto por bacterias
hetertrofas como auttrofas. En la desnitrificacin hetertrofa, un
sustrato orgnico, como metanol, etanol, cido actico, glucosa, etc.,
acta como fuente de energa (donador de electrones) y fuente de
carbono.
Desnitrificacin El mayor problema de la desnitrificacin biolgica
es la contaminacin potencial del agua tratada con: bacterias,
fuente de carbono residual (desnitrificacin hetertrofa) y la
posibilidad de formacin de nitritos, lo cual hace necesario un
posttratamiento.
DesnitrificacinLa desnitrificacin es empleada, en los procesos
tcnicos de depuracin controlada de aguas residuales, para eliminar
el nitrato, cuya presencia favorece la eutrofizacin y reduce la
potabilidad del agua. Entre las tecnologas para eliminarlo se
encuentran: intercambio inico, smosis inversa, electrodilisis y
desnitrificacin biolgica.
Entre las diversas alternativas, se prefieren los tratamientos
biolgicos por su sencillez, selectividad y bajo costo ante los
fsico-qumicos, ms caros y con mayor generacin de residuos
txicos.
Desnitrificacin hetertrofa Es un proceso biolgico de reduccin
del nitrato presente en las aguas residuales a nitrgeno molecular
en condiciones anxicas por la accin de bacterias hetertrofas
(Pseudomonas, Paraccocus, Alcaligenes, T hiobacillus, Bacillus),
que usan un sustrato orgnico como fuente de carbono y energa.
Desnitrificacin hetertrofa Ventajas: Es ampliamente aplicada por
su alta eficiencia y bajo costo. La tasa de desnitrificacin
heterotrfica es alta, permitiendo el uso de reactores de poco
volumen y bajos costos. Desventajas: Sin embargo el carbn residual
de este proceso causa diversos problemas para el tratamiento de
aguas potables, lo que convierte a la desnitrificacin auttrofa en
una buena alternativa.
Desnitrificacin auttrofa Algunas bacterias desnitrificantes son
quimiolitoauttrofas y pueden oxidar compuestos inorgnicos de azufre
como sulfhdrico (H2S), azufre elemental (S0), tiosulfato(S2O32-) o
sulfito(SO32-) anaerbicamente a expensas de la reduccin del
nitrato. Entre ellas, auttrofos obligados que crezcan a pHs neutros
tan solo se conocen dos: Thiobacillus denitrificans y
Thiomicrospira denitrificans y pueden llevar a cabo la sulfoxidacin
en condiciones aerbicas o anxicas.
Desnitrificacin autotrofa Ventajas: Para el tratamiento de aguas
residuales, evita tener que aadir materia orgnica, reducindose as
los costos, y para tratamiento de aguas potables, evita carbono
residual en el efluente, ya que reduce el riesgo de
sobrecrecimiento en los sistemas a tratar y de desinfeccin de la
zona por los productos producidos debido a que los organismos
autotrfos crecen mas despacio y producen menos biomasa, con la
consiguiente formacin de menos productos celulares. Adems los
organismos auttrofos estn mejor adaptados para el tratamiento de
aguas subterrneas porque crecen a bajas concentraciones de
compuestos orgnicos biodegradables.
Principales parmetros que afectan la desnitrificacinFuente
donadora de electrones La capacidad que tienen los compuestos
orgnicos de donar electrones es uno de los factores ms importantes
que controlan la actividad heterotrfica y por lo tanto la actividad
desnitrificante heterotrfica. Existe una gran variedad de
compuestos que pueden ser usados para llevar a cabo la
desnitrificacin en aguas residuales. Los principales donadores de
electrones utilizados son el metanol, el etanol, la glucosa, el
acetato, el cido asprtico y el cido frmico, entre otros. Otro grupo
de microorganismos desnitrificantes, los auttrofos, utilizan
compuestos inorgnicos como sulfuro, hidrogeno, amonio para reducir
nitratos.
Principales parmetros que afectan la desnitrificacinTemperatura
De acuerdo con la literatura, los microorganismos desnitrificantes
presentan actividad entre 5 y 75 C. Se ha visto que no existe un
cambio significativo en la actividad desnitrificante entre 20 y 30
C con consorcios provenientes de plantas de tratamiento de aguas
residuales.
PH El pH ptimo para la desnitrificacin se encuentra entre 7 y 8.
A valores de pH debajo de 6, se inhibe la enzima xido nitroso
reductasa y se acumula xido nitroso.Oxgeno Se asume en general que
la enzima xido nitroso reductasa (Nos) es la enzima con una mayor
sensibilidad a la presencia de oxgeno. En general las enzimas
reductasas son inmediatamente o gradualmente inactivadas por la
presencia de oxgeno. La principal razn de la sensibilidad de la
desnitrificacin a la presencia de oxgeno es la competicin por
electrones, el oxgeno siendo un aceptor de electrones
termodinmicamente ms favorable que el nitrato.
Principales parmetros que afectan la desnitrificacinRelacin C/N
La desnitrificacin heterotrfica en consorcios est en gran medida
determinada por la relacin entre el compuesto orgnico donador de
electrones y el nitrato (relacin C/N). De acuerdo a la literatura,
se obtiene un proceso desnitrificante ptimo a relacin
estequiomtrica.
Aunque depende del donador de electrones, se puede considerar
que con una relacin C/N menor a 5, pero superior a la relacin
estequiomtrica, el proceso desnitrificante se lleva a cabo sin
limitacin; con una relacin entre 5 y 21.3 se lleva a cabo la
desnitrificacin y produccin de metano.
A relacin C/N mayores, se produce metano sin llevarse a cabo la
desnitrificacin. Lo anterior se debe a que el proceso
desnitrificante disminuye y aparece la amonificacin, siendo el
proceso dominante a relaciones C/N mayores a 51.
Principios de diseo en la desnitrificacin Se presentan los
modelos para la eliminacin de nitrgeno mediante desnitrificacin, la
produccin de biomasa y la adicin de metanol. Casi todo el nitrgeno
amoniacal que se oxida en la fase de nitrificacin se encuentra en
el efluente como nitrato (NO3-), siendo normalmente despreciable la
concentracin de nitrito (NO2-).
Modelo para la eliminacin de nitrgeno mediante desnitrificacin
En consecuencia, la cintica de conversin de nitratos a nitrgeno y
xidos de nitrgeno gobierna el diseo del reactor anaerobio de
desnitrificacin, esto es:
Se llevan a cabo estudios de desnitrificacin a escala semipiloto
y se construyen graficas que presentan la concentracin de nitrato
NO3remanente frente al tiempo de residencia.
Modelo para la eliminacin de nitrgeno mediante desnitrificacin
Es importante estar seguros de que la concentracin de carbono
orgnico en el reactor no sea un factor limitante. Esto del hecho de
que las bacterias desnitrificantes son microorganismos facultativos
hetertrofos, y por lo tanto necesitan una fuente de carbono orgnico
para su crecimiento.
La figura indica que la eliminacin de NO3-, sigue una cintica de
orden cero, ya que la velocidad de eliminacin de NO3-, dada por la
pendiente de la recta, tiene un valor constante independientemente
del nivel de concentracin de NO3-.
Puede hacerse un balance de materia de NO3-, para el reactor de
desnitrificacin biolgica. Viene representado por una cintica de
orden cero, tal como muestra la GRAFICA, y expresado por:
siendo KDN la constante de la velocidad de desnitrificacin.
El volumen de desnitrificacin del reactor es:
Donde: XDN .-concentracin de biomasa desnitrificante th= V/Qo El
intervalo de pH ptimo para la desnitrificacin es 6.5-7.5.
Modelo para la produccin de biomasa en la desnitrificacin La
produccin de biomasa puede estimarse mediante la siguiente
relacin:
Siendo XDN la produccin en mg/l y OD la concentracin de oxigeno
en el afluente en mg/l.
Modelo para calcular el consumo de metanol El consumo de metanol
puede estimarse a partir de experimentos a escala semi-piloto,
mediante la construccin de una grafica de mg NO3eliminado/(mg
VSS)(h) en funcin de los mg metanol eliminado/(mg VSS)(h).
El consumo de metanol se estima a partir de la pendiente de esta
lnea.
Bibliografa Tratamiento de Aguas Residuales en poblaciones
pequeas, Ron Crites y George Tchobanoglous, Ed. Mac Graw Hill, pags
672-677 http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_del_nitr%C3%
B3geno#Desnitrificaci.C3.B3n
http://quimica.laguia2000.com/conceptosbasicos/ciclo-del-nitrogeno
http://es.wikipedia.org/wiki/Desnitrificaci%C3%B 3n
