1. Introducció
Degut a la procedència de les aigües residuals, aquestes acostumen a tenir un alt contingut en nitrogen i fòsfor. Aquest apareix a partir de la descomposició de la matèria orgànica i de les restes de fems. Les aigües residuals no poden ser evocades directament als cursos fluvials o al mar ja que l’augment de nitrogen pot crear un boom en la formació d’algues, que pot provocar una eutrofització del medi, i el fòsfor passa a ser contaminant, per tant han de ser tractades per les depuradores. Les concentracions del nitrogen i el fòsfor, amb les quals l’aigua ha de ser retornada a l’efluent, venen estipulades per les lleis europees com la (2000/60/CE) i (97/271/CE), i per lleis d’àmbit estatal com són els reals decrets (RD 509/1996)i (RD 11/1995).
Taula 1: RD 509/1996
L’eliminació dels dos compostos es fan mitjançant dos processos diferents, en el cas del nitrogen els més comuns són la nitrificació i desnitrificació i per el que és el fòsfor és fa majoritàriament amb l’addició d’un reactiu el qual provoca la precipitació d’aquest compost.
2. Eliminació del nitrogen
En les aigües residuals podem trobar el nitrogen en quatre formes diferents: en forma de nitrogen orgànic, amoniacal, nitrits i nitrats. El nitrogen orgànic està molt lligat amb la matèria orgànica en suspensió, per tant, quan l’elimines també s’elimina aquesta forma del nitrogen. El nitrogen amoniacal gràcies a l’acció de les bacteris autòtrofes quimiolitotròfiques convertiran aquest nitrogen en nitrits i nitrats. El nitrogen en forma de nitrit té relativament poca importància perquè degut a la seva inestabilitat s’oxida molt fàcilment a nitrat. Finalment, els nitrats passaran a nitrogen gas mitjançant bacteris heterotròfiques facultatives.
Aquesta eliminació del nitrogen es divideix en dues fases:
 |
| Imatge 1: Processos d'eliminació del nitrogen |
· Nitrificació
En aquest pas l’amoni es redueix a nitrat (tal com veiem a la següent fórmula) mitjançant principalment l’acció de dues bacteris: Nitrosomonas són bacteris bastant grans, entre 0.4 i 0.6 micres, "Gram-negatives", autòtrofes i que necessiten oxigen per oxidar successivament els amoníacs a nitrits (consumeixen l’amoni i produeixen nitrits) i Nitrobacter són bacteris "Gram-negatives", autòtrofes i que requereixen oxigen per oxidar successivament els Nitrits a nitrats. (descompon els nitrits a nitrats). La nitrificació sempre es dóna en condicions aeròbies. La velocitat de la reacció augmenta al augmentar la concentració d’oxigen. Aquesta aportació d’oxigen es dona mecànicament i comporta elevats costos.
NH4+ + 2 O2 ---------> NO3- + 2 H+ + H2O
· Desnitrificació
Procés anaerobi pel qual els nitrats passen a nitrogen gas. Aquesta última fase del procés d’eliminació del nitrogen la duen a terme diferents gèneres de bacteris entre els quals trobem Pseudomonas, Micrococus i Archromobacter. Aquests bacteris heteròtrofs utilitzen la matèria orgànica com a font de carboni. Per tant, sense presència de matèria orgànica no es produiria aquesta reacció.
 |
| Imatge 2: Utilització del nitrogen |
3. ELIMINACIÓ DEL FÓSFOR
El fòsfor es troba formant part de compostos orgànics (fòsfor orgànic) o com a polifosfat i ortofosfat (fòsfor inorgànic).
El fosfat orgànic forma part de compostos com els àcids nucleics, els fosfolípids o l’ATP entre altres. Presenta poca importància a nivell domèstic però pel que respecte a abocaments industrials i en fangs, produïts arrel del tractament de l’aigua residual domèstica, les concentracions són força elevades.
Els polifosfats són polímers compostos per dos o més monòmers de fosfats (PO43-)n. En solucions aquoses s’hidrolitzen en ortofosfats molt lentament.
Els ortofosfats ja presenten la suficient degradació per ser assimilats pel metabolisme biològic. En aigua, depenent del pH, poden presentar-se com PO43-, HPO42- i H3PO4.
Segons els objectius que una EDAR tingui l’obligació de complir, existeixen diferents dissenys per tal de tractar el fòsfor; fisicoquímics, biològics i combinats.
Eliminació
|
Fisicoquímica
|
Biològica
|
Context
|
Addició de sals d’alumini, calci o ferro, eliminant el fòsfor formant sals de baixa solubilitat.
|
Procés biològic a partir de llots actius. S'acondiciona la biomassa (organismes acumuladors de polifosfats (PAO)) per tal de que acumulin la major quantitat de fòsfor possible. Es dona a partir d’un primer ambient anaeròbi (sense acceptor d’electrons i presència de M.O) i un segon aeròbi (O2 com a acceptor d’electrons i sense M.O). Dites condicions suposen avantatges pels PAO’s respecte altres microorganismes.
|
Avantatges
|
Fàcil i estable
|
Alta eficiència, menor producció de fangs, econòmic i sostenible.
|
Inconvenients
|
Cost dels reactius i productes que s’afegeixen per regular el pH, toxicitat dels reactius i dels llots generats.
|
Disseny i aplicació es troben poc desenvolupats a l’hora d’optimitzar el procés segons les condicions de l’influent.
|
EBPR: Enhanced Biological Phosphorus Removal. (Eliminació biològica del fòsfor realçada). Sistema de tractaments d’aigües residuals utilitzant microorganismes DPAO.
Metabolisme dels DPAO:
Els DPAO són una fracció del microorganismes PAO, els quals són capaços d’utilitzar compostos oxidats del nitrogen com acceptor d’electrons (i per tan reduir-lo), alhora que els permet captar fòsfor sota condicions anòxiques.
Esquema dels metabolismes dels DPAO: a) en fase anaeròbica i b) en fase anòxica.
Els microorganismes alternen entre condicions anaeròbies i anòxiques. En condicions anaeròbies els DPAO capten substrat orgànic transformant-lo en acetil-CoA i produïnt després polihidoxialcanoat (PHA), mitjançant la degradació de glicogen inter, el qual s’utilitzarà com a font de carboni en la fase anòxica. L’energia necessària per aquest procés prové principalment de la hidròlisis de polifosfat emmagatzemat, el qual explica els ortofosfats que es desprenen al medi (figura a).
En la fase anòxica el PHA s’hidrolitza a acetil-CoA per tal de captar fòsfor i recuperar el glicògen. Els DPAO capten ortofosfats per tal de recuperar els nivells de polifosfat interns. En aquesta fase s’utilitza com acceptor d’electrons nitrit o nitrat, el qual es desnitrifica a N2.
Competència
Els GAO’s o organismes acumuladors de glicogen són microorganismes que també proliferen al alternar entre condicions anaeròbiques i anòxiques, fet que provoca inestabilitat en el sistema EBPR, i conseqüentment, una pèrdua en la capacitat d’eliminació del fòsfor.
El blog m'ha semblat interessant ja que aquest tema està relacionat amb l'assignatura de Tractament d'Aigües. A mi m'interessaria saber si aquestes desavantatges de microorganismes que heu comentat (en general) són gaire freqüents. Si normalment s'adapten bé al cicle de tractament d'aigua de la depuradora, i si no comporten gaires problemes al funcionament de les instal·lacions, ja sigui per una reducció/augment de la població degut a l'alta concentració de nitrogen i fòsfor de la entrada o perquè s'hagin produit desequilibris de la xarxa tròfica. Espero haver-me explicat bé, m'han semblat addients aquestes referències que heu fet i m'ha generat aquest dubte.
ResponEliminaBones Jordi,
Eliminaen general no suposen un problema pel correcte funcionament de les EDAR's. Tot i així es pot produir un problema conegut com a "fouling". Aquest, provova una acumulació de microorganismes filametosos que suren en l'aigua i acaben sortint per sobreeiximent juntament amb l'aigua tractada.
Marc Balcells Rovira
Gràcies Marc!
EliminaTrobo que la lectura del blog m'ha ajudat a acabar d'entendre l'eliminació del nitrogen i fòsfor de els aigües residuals que també estudiem a l'assignatura de tractament d'aigües. M'agradaria saber però perquè les condicions, en l'eliminació del fòsfor, de que primer hi hagi un ambient anaerobi i en segon lloc aerobi suposen un avantatge dels PAO's respecte els altres microorganismes? Gràcies
ResponEliminaEn l'eliminació del fòsfor s'alteren condicions anaeròbies i condicions anòxiques. En resum, durant el procés anaerobi es generen ortofosfats, que seran captats pels DPAO's durant la fase anòxica.
EliminaEspero haver resolt el teu dubte Meritxell,
Marc Balcells
Estic totalment d’acord amb els companys que han comentat anteriorment. Aquest treball m’ha semblat molt interessant a més ajuda a entendre certs temes de l’assignatura de tractament d’aigües i residus. Ara bé, quan heu anomenat que a les EDAR existeixen diferents dissenys per a tractar el fòsfor (fisicoquímics, biològics i combinats). Actualment les EDAR utilitzen principalment algun de concret?
ResponEliminaL'autor ha eliminat aquest comentari.
EliminaL'autor ha eliminat aquest comentari.
EliminaAlbert, el sistema més utilitzat en les EDAR’s és el fisicoquímic tot i que en algunes també s’utilitza el biològic. Actualment la majoria de depuradores utilitzen el clorur fèrric per dur a terme el tractament fisicoquímic.
EliminaIgnasi Comas
Hola! Juntament amb la pregunta de l'Albert, en cas que utilitzin algun disseny en concret, perquè ho fan? Perque és més econòmic, més eficient..?
ResponEliminaÀngela Salvat
L'autor ha eliminat aquest comentari.
EliminaÀngela, com he dit anteriorment el més utilitzat és el sistema fisicoquímic i el motiu és perquè el sistema biològic necessita un tanc addicional per tal que es produeixi la reacció i per tal de fer aquest tanc es necessitaria un espai que en moltes EDAR’s no hi ha. Per altre banda és un sistema molt més còmode el fisicoquímic.
EliminaIgnasi Comas
Molt bones! Jo també estic d'acord amb els companys que serveix molt per acabar d'entendre aquest tema de l'assignatura, sobretot la part de nitrificació i desnitrificació. Però m'ha sorgit un dubte, i és que quan parleu de la desnitrificació i els tipus d'organismes que la duen a terme, us referiu a que aquests tres tipus de microorganismes intervenen a la vegada en un mateix procés d'eliminació del nitrogen o són organismes que cadascun pot dur a terme el mateix procés d'eliminació per separat? (No se si m'he explicat bé).
ResponEliminaGràcies,
Oscar González
Hola Oscar,
Eliminaels microorganismes presents en la desnitrificació poden intervenir alhora. Tot i així la seva concentració podrà variar lleugerament segons les diferents condicions en que es produeixi aquest procés anaerobi.
Marc Balcells Rovira
Hola nois! El tema de l'eliminació del fòsfor m'ha semblat força interesant ja que la seva acumulació pot causar un gran impacte, però en el cas de l'eliminació biològica, he vist que durant la fase anòxica es desprèn N2 en el procés. Sabeu que se’n fa d'aquest rebuig? Es deixa anar al medi o es treu algun profit? Perquè si es desprèn a l’atmosfera, en contacte amb l’oxigen produiria gasos contaminants NOx no?
ResponEliminaCom bé has dit, es desprèn N2 al desnitrificar nitrits o nitrats. El 88% d’aquest nitrogen és destinat a l’atmosfera, tot i així aquest no presenta problemes de contaminació. Dels 8 òxids que pot formar el nitrogen, tan sols 3 es presenten en l’atmosfera degut a que els altres són inestables, aquests són el N2O (monòxid de dinitrogen), NO ( monòxid de nitrògen) i NO2 (diòxid de nitrogen). El primer és l’únic dels tres que no és tòxic i prové de fonts naturals, agrícoles o, principalment, de la desnitrificació microbiana del nitrògen d’origen proteic. El nitrogen s’allibera en forma de N2 a l’atmosfera, triple enllaç entre els dos nitrogens i càrregues formals neutres. Al aconseguir un oxigen, aquest forma un doble enllaç amb un dels nitrogens quedant així la molècula de N2O no tòxica i estable, ja que tots els àtoms presenten càrregues formals neutres. En canvi, per tal de formar-se en la naturalesa els NOx es necessita d’un àtom N solitàri, el qual, a partir del N2, no es pot aconseguir si no es produeix en temperatures molt altes (que no es donen a l’atmosfera i sí en fàbriques industrials) ja que el triple enllaç que presenten ambdos nitrògens és molt fort.
EliminaHola companys,
ResponEliminapotser és evident el que us vull preguntar, però dels diferents dissenys per tractar el fòsfor, com funcionen els combinats? i aquest tipus de disseny funciona millor que els altres (fisicoquímic i biològic)?
Gràcies!
Referent a la pregunta de com funcionen els dissenys combinat, aquests dissenys són els que actualment presenten les EDAR’s actuals, així com veiem les decantacions primàries i secundàries com també presenten el tractament biològic. Sobre quin disseny és l’ideal per a tractar l’aigua que t’arriba en dependrà la qualitat d’aquesta aigua, el marge que tinguis o, més entendible, la qualitat en que vols que surti l’aigua del sistema i el presupost que tinguis o els costos que presenti.
EliminaGemma Banchs Burgues.
Salutacions,
ResponEliminaTinc un dubte sobre els tractaments en l'eliminació del fósfor i el nitrogen. El procés d'eliminació que podem fer en una planta depuradora és el mateix que es produeix de forma natural en el medi?
Moltes gràcies
Albert Cereza
Bones Albert,
EliminaEn el cas del medi natural també es donen aquests processos sense necessitat d’afegir-hi productes químics tot i que en un interval de temps molt més llarg. Un bon exemple en serien els aiguamolls construïts que funcionen com una EDAR tot i que sense necessitat de maquines ni de cap tipus de tractament. El problema d’aquestes instal•lacions és que no poden tractar un volum d’aigües massa gran, igualment passa a la natura que pot eliminar el nitrogen i el fòsfor de les aigües però en petites quantitats.
Ignasi Comas
L'autor ha eliminat aquest comentari.
ResponElimina