Los nitratos, que son vitales para el crecimiento de las plantas, deben eliminarse durante el proceso del tratamiento de efluentes

El nitrógeno, el elemento más prevalente en la atmósfera de la Tierra al 78%, se puede encontrar en organismos vivos y materia en descomposición como el humus en el suelo, así como en el aire que respiramos ahora mismo.

El nitrógeno se considera un nutriente limitante vital, lo que significa que, en la naturaleza, suele ser el nutriente que más escasea, por lo que su suministro regula el crecimiento. En el lado negativo, un execso de nitrógeno en el agua, llamada eutrofización, puede causar la proliferación de algas tóxicas que obstruye las vías navegables e interfiere con el tratamiento de agua y las operaciones de desalinización, y además ponen en riesgo a la salud humana. Una de las posibles causas de la eutrofización puede ser debido a la escorrentía de fertilizante y la descarga de efluentes, entre otros factores.

Incluso por sí mismo, un exceso de nitrógeno en el agua potable es tóxico para los humanos, especialmente los bebés y las mujeres embarazadas. Es un factor de riesgo en la metahemoglobinemia, cáncer y diabetes.

Debido a los peligros para la salud y el medio ambiente, la desnitrificación es un tratamiento de efluentes importante porque convierte un contaminante peligroso en un gas benigno que se puede descargar sin producir impacto ambiental alguno.

Nitrógeno y Calidad del Agua

Muchas fuentes contribuyen a la carga de nitrógeno del agua, incluidos los desechos del procesamiento de alimentos y los procesos químicos, pero la mayor parte del nitrógeno que se encuentra en los efluentes proviene de la urea, un producto de la orina. La desnitrificación biológica se usa a menudo para tratar desechos líquidos de la agricultura a escala industrial, por ejemplo, las granjas avícolas.

En algunas áreas de los Estados Unidos, la contaminación relacionada con los nutrientes ha afectado de manera negativa la calidad del agua, haciendo que la desnitrificación sea esencial. En todo el estado de Iowa, por ejemplo, los nitratos son una amenaza tan constante para la calidad del agua que hace falta una nueva infraestructura de tratamiento de efluentes para enfrentarla por completo. Además, la ciudad de Des Moines gastó US$1,5 millones adicionales en desnitrificación en el 2015. Bill Stowe, director ejecutivo y gerente general de Des Moines Water Works, dijo a WaterOnline que espera que se gasten otros US$ 80 millones en mejoras de infraestructura, incluida la desnitrificación.

¿Cómo Se Eliminan los Nitratos?

Existen tres enfoques principales para la eliminación de nitratos: el intercambio iónico y la desnitrificación biológica, la mayoría de uso general, así como la reducción química. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), el intercambio iónico se usa típicamente para tratar las aguas subterráneas, mientras que las aguas superficiales se tratan comúnmente con desnitrificación biológica.

• Intercambio de iones: En este proceso químico, los iones disueltos no deseados en el agua, como los nitratos del fertilizante, se intercambian por iones con carga similar a medida que pasan sobre un lecho de perlas de resina.
• Proceso de desnitrificación biológico (lodo activado):Los microbios hacen la mayor parte del trabajo en la desnitrificación biológica. Las bacterias de uso común que pueden usar nitrógeno oxidado (desnitrificadores) incluyen Pseudomonas, Alcaligenes y Paracoccus. Cuando descomponen el NO₃ para metabolizar el oxígeno, se libera gas nitrógeno.
• Reducción química: En estos procesos, se utilizan químicos como los ácidos como agentes reductores para formar amoníaco o nitrógeno elemental. Estos procesos a menudo requieren condiciones especiales, como el uso de catalizadores o las altas temperaturas y la presión.

La desnitrificación biológica se produce después de la nitrificación, otro proceso llevado a cabo por bacterias. Es el paso final en el ciclo del nitrógeno, un proceso biológico natural mediante el cual el nitrógeno cambia de una forma a otra.

Tanto la nitrificación como la desnitrificación son importantes para el tratamiento biológico de efluentes. En la etapa de la nitrificación del ciclo, el amoníaco se oxida en nitritos (NO₂) y nitratos (NO₃). El NO₂ y/ó NO₃ luego se transforma en óxido nítrico (NO) y óxido nitroso (N₂O), que finalmente se transforma en nitrógeno gaseoso (N₂), que es apto para una descarga inocua en la atmosfera. En el contexto del tratamiento de efluentes, el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente explicó lo siguiente:

La desnitrificación es el proceso mediante el cual se elimina el nitrógeno del agua. Cuando se emplea en tecnologías de mejora de la calidad del agua, la desnitrificación trata el agua para reducir su contenido de nitrato-nitrógeno a niveles potables.

Por ejemplo, la ciudad de Tampa, Florida, utiliza el proceso tradicional de lodo activado como uno de los siete en sus propias instalaciones de agua:

La desnitrificación se […] emplea para convertir el nitrato-nitrógeno en el efluente del proceso de nitrificación de lodo activado en gas nitrógeno. La desnitrificación tiene lugar en el lecho profundo, filtros de desnitrificación de medios únicos. Se agrega una fuente de carbono suplementada (metanol) al influyente del filtro de desnitrificación para proporcionar una fuente de alimento para el cultivo de desnitrificación en los filtros.

Una vez que el agua entra en los filtros, pasa a través de los medios de filtro cargados de bacterias. Una vez que las bacterias han consumido el oxígeno en el nitrato, queda el nitrógeno. A medida que se libera, el gas queda atrapado en los medios de filtro, eliminando la mayor parte del nitrógeno de los efluentes en el proceso.

Debido a que queda poco o nada de oxígeno luego de la desnitrificación, la siguiente etapa en el tratamiento de efluentes es agregar oxígeno al agua a través de la aireación, un paso intensivo en el consumo de energía.

Reactor de Biofilm de Membrana Aireada (MABR)

Una tecnología recientemente explotada – el reactor de biofilm de membrana aireada (MABR) – también es un proceso de tratamiento biológico, que ha mejorado el proceso tradicional de varias maneras.

El tratamiento biológico tradicional requiere cámaras separadas para llevar a cabo la nitrificación y la desnitrificación. Un módulo MABR los conduce en un tanque en un proceso llamado nitrificación y desnitrificación simultáneas (SND, por sus siglas en inglés). MABR reduce la huella necesaria para realizar un tratamiento de efluentes de alta calidad. El tamaño reducido también permite la paquetización en unidades de contenedores de envío estándar y módulos diseñados para modernizar las plantas heredadas. Además, el proceso reduce la necesidad de una fuente de carbono adicional.

En MABR de Fluence, la SND se logra con una membrana enrollada en espiral que es permeable al aire a nivel microscópico. A medida que el aire fluye a través de la membrana cerca de la presión atmosférica, las bacterias aeróbicas se adhieren a la superficie rica en oxígeno, formando un biofilm nitrificante que convierte el amoníaco en nitrato. Al igual que en el proceso tradicional, todavía se requiere la desnitrificación con bacterias anaeróbicas.

El oxígeno pasa a través de la membrana sin burbujas, alimentando a los microbios en la superficie y dejando el resto del tanque lo suficientemente anóxico para soportar las bacterias desnitrificantes anaeróbicas. La eliminación de la fase de aireación comprimida que produce burbujas también conduce a una eficiencia energética mucho mayor. El nitrato finalmente se descompone en gas de nitrógeno, que se descarga y en el oxígeno, lo cual alimenta la digestión subsiguiente de los contaminantes orgánicos.

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