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Las formas múltiples del Nitrógeno (amónio-nitrito-nitrato-nitrificación-desnitrificación)

17/03/2017

Las formas múltiples del Nitrógeno (amónio-nitrito-nitrato-nitrificación-desnitrificación)

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Autor: Microlab Industrial

Blog: www.microlabindustrial.com


Antecedentes

 
El nitrógeno es un elemento indispensable para todas las formas de vida. Su química es versátil y junto con el oxígeno le dan el carácter y variedad a los compuestos orgánicos que se diferencían de los hidrocarburos. El hecho de que la descarga de nitrógeno en el agua residual sea regulada y pueda ocasionar sanciones puede parecer una contradicción a primera vista. A continuación hablaremos de los diversos aspectos del nitrógeno que lo vuelven protagonista en los sistemas tanto naturales como urbanos.
 


Escaso, necesario y demandado

 
El nitrógeno es parte esencial tanto de las proteínas como de los ácidos nucleicos y su proporción en masa en la materia orgánica es sólo superada por el oxígeno y el carbono. A pesar de esto, su presencia en la tierra es mucho menor que la de estos elementos: la mayor parte del nitrógeno existente durante la formación de los planetas se escapó del sistema solar interior por ser un gas volátil con baja tendencia a fijarse en compuestos líquidos o sólidos.
 
Aunque puede parecer abundante por conformar el 78 % de la atmósfera, en su estado gaseoso es principalmente espacio vacío en comparación con una sustancia sólida o líquida: para darse una idea, un metro cúbico de agua tiene 888 kg de oxígeno, mientras que para obtener la misma cantidad de nitrógeno requiere 930 metros cúbicos de aire.
 
 
El nitrógeno y su escasez relativa juegan un rol fundamental
en la presencia de vida en la tierra
 
 
A la vez que el nitrógeno es escaso, también es lento en reaccionar e incorporarse tanto a las cadenas tróficas como a la cadena de transformaciones industriales. El nitrógeno molecular es un gas inerte, renuente a reaccionar: los combustibles y otros materiales que podrían inflamarse fácilmente con el oxígeno pueden exponerse a un ambiente de nitrógeno sin riesgo alguno de reacción. Mientras que las sustancias liberan energía al combinarse con el oxígeno, hacer que el nitrógeno empiece a combinarse con otros elementos en la práctica requiere invertir una cantidad considerable de energía para que ocurra a una escala y velocidad razonables. 
 


Como caído del cielo

 
Al ser limitado a la vez que vital, el nitrógeno es un elemento sumamente demandado que, junto con el fósforo, con frecuencia determina la cantidad de organismos que se pueden desarrollar en un ambiente. Soltar nitrógeno en el ambiente en formas asimilables tiene un efecto similar a dejar caer una lluvia de billetes sobre una plaza pública: muy pronto habrá una multitud de seres ocupados en acaparar esa riqueza en formas igualmente caóticas, sólo que en el caso del nitrógeno encontraremos organismos tales como las algas y los lirios.
 
 
Las descargas elevadas de nitrógeno causan una proliferación
de algas y malezas acuáticas
 
La proliferación súbita de algas y lirios desestabiliza un ecosistema y puede orillarlo a cambios irreversibles. Una vez que estos organismos mueren, la materia en descomposicíón agota los niveles de oxígeno disuelto y extermina la vida acuática. Además, las algas que proliferan en el agua pueden producir toxinas capaces de matar al ganado o mascotas que la consuman.
 
Si los compuestos nitrogenados se cuelan a los acuíferos pueden contaminarlos y volverlos no potables ya que las diferentes formas de nitrógeno tienen límites por encima de los cuales son tóxicas para su consumo.
 
Por estos motivos la descarga de nitrógeno a los cuerpos receptores naturales está regulada por la norma NOM-001-SEMARNAT-1996.

 


Las versiones del nitrógeno, edición agua

 
Aunque el nitrógeno se cuantifica y reporta como el elemento, durante su travesía por el ciclo biogeoquímico pasa por diversas especies químicas. Algunos métodos modernos pueden cuantificarlo directamente como nitrógeno total pero la práctica común consiste en medir cada una de sus formas para sumarlo. Esto permite tener una “radiografía” del estado del sistema en el cual el nitrógeno fue analizado.
 
Etapas del ciclo del nitrógeno concernientes a la descarga y
tratamiento de agua residual
 
 
Nitrógeno orgánico - Recién descargado y pronto a transformarse
 
Inicialmente, cuando se descarga un agua residual cruda o desechos orgánicos sólidos, el nitrógeno está presente asociado a moléculas orgánicas como las proteínas, los ácidos nucleicos o metabolitos finales como la urea y el ácido úrico. Esta forma se denomina nitrógeno orgánico: aunque no tiene un efecto químico característico, como materia orgánica está sujeta al consumo por parte de microrganismos, los cuales eventualmente procesarán y transformarán el nitrógeno presente en amoniaco.
 
 
Amoniaco - Primera parada: irritante y letal
 
El nitrógeno presente en forma de amoniaco se denomina nitrógeno amoniacal. Una característica particular es que su comportamiento depende del pH: a pH ácido permanece disuelto en el agua como ion amonio mientras a pH alcalino se transforma en gas amoniaco el cual es susceptible de volatilizarse al ambiente. El gas amoniaco es sumamente irritante y potencialmente mortal en concentraciones elevadas; la vida acuática no es más entusiasta a él y muere fácilmente si su nivel aumenta; afortunadamente hay mecanismos biológicos que lo pueden transformar o asimilar antes que se acumule.
 
 
Nitrito - Nocivo, pero transitorio
 
El nitrito es la forma de nitrógeno que resulta de la oxidación biológica del nitrógeno amoniacal. Este proceso, denominado nitrificación, es llevado a cabo por un grupo selecto de bacterias (Nitrosomonas) cuyo crecimiento y metabolismo es relativamente lento, por lo que una alteración súbita de las condiciones de operación de un ecosistema o una planta tratadora que afecte a estas bacterias ocasiona un pico en la concentración del nitrógeno amoniacal. Irónicamente, el nitrito en sí es una especie química cuya toxicidad aguda es incluso peor que la del amoniaco, pero no se volatiliza y se oxida rápidamente a nitrato por acción microbiológica.
 
 
Nitrato - A la espera de consumidores
 
El nitrato es la forma más oxidada del nitrógeno y a diferencia de las formas anteriores es mucho menos tóxico, por lo que puede acumularse y descargarse más fácilmente sin alterar los ecosistemas o la salud pública. De aquí, hay dos paraderos finales: el primero es su asimilación por plantas y algas, que pueden tomar tanto amoniaco como nitrato del ambiente y de manera que ingresa nuevamente a la cadena trófica.
 
El segundo es que sea transformado nuevamente en gas nitrógeno que regresa a la atmósfera: las bacterias llamadas desnitrificantes pueden reducirlo a nitrito y luego metabolizarlo a gas nitrógeno, aunque para ello requieren condiciones anaerobias.
 
 
Instancia del proceso
 
Al analizar las cuatro formas de nitrógeno en el agua, se tiene una “captura” del progreso general que lleva el nitrógeno en ella: una mayoría de nitrógeno orgánico implica un estado de tratamiento mínimo y es propia del agua cruda que ingresa, mientras que un contenido mayoritario de nitrato es propia de un agua que ha sido tratada y ha permanecido tiempo suficiente en el reactor. El analizar las formas de nitrógeno esporádicamente le permitirá saber el estado de su proceso en cuanto al tratamiento del nitrógeno.
 
 
Desnitrificar o no desnitrificar
 
Realmente una planta de tratamiento convencional no se deshace del nitrógeno que ingresa, sino que se limita a transformarlo de una forma a otra. Mientras el nitrógeno entrante no sea demasiado como para incurrir en un incumplimiento de descarga, por lo general no es necesario ni vale la pena dedicar dispositivos para eliminarlo. En algunas industrias específicas donde su nivel es elevado y es preciso reducirlo, hace falta incluir una etapa de desnitrificación que provea las condiciones adecuadas que lo transformen en nitrógeno gaseoso: existen procesos sencillos (aunque con gran huella) como los diques de oxidación que involucran automáticamente una etapa para eliminarlo como gas nitrógeno y también existen otros procesos más sofisticados como el de las bacterias Anammox que pueden eliminarlo desde sus formas intermedias.
 
Otros como el Bardenpho recurren a asimilarlo en lodo microbiano que es separado físicamente. Todos estos procesos requieren condiciones anaerobias, por lo que tendrá que incluir una etapa donde las bacterias desnitrificantes estén a salvo de la interferencia del oxígeno.
 
 
Consumidor (autoinvitado) de oxígeno
 
Del oxígeno entregado en los reactores aerobios, una buena parte puede ser consumida en la oxidación del nitrógeno en adición a la de la materia orgánica: la demanda de oxígeno para oxidar el nitrógeno amoniacal hasta nitrato es tal que incluso sin contar la materia orgánica puede ocasionar una DBO significativa y constituir una fracción importante a considerar cuando se dimensionan los aireadores necesarios para el reactor biológico.
 
 
El nitrogeno puede conformar una parte considerable
de la demanda de aireción

 
Desnitrificación no deseada
 
En clarificadores donde el agua permanece quieta y estancada por algún tiempo, es posible que reciba una “desnitrificación gratis” desde el fondo del tanque clarificador. Aunque esto puede parecer una buena noticia, el gas nitrógeno generado se escapa por medio de burbujas, y estas burbujas pueden ocasionar la salida a flote de los lodos sedimentados y cuando éstos escapen por las compuertas superiores de descarga, causarán un aumento inesperado de los sólidos suspendidos y la materia orgánica en el informe de resultados de análisis.
 
 
En el lugar equivocado, la desnitrificación
hace flotar los lodos
 
Si bien el nitrógeno en la descarga puede demandar una atención especial, una valoración adecuada del nitrógeno generado y descargado le permitirá lidiar con él de la mejor manera posible.
 
 
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02/05/2017
Emilio Serrano escribió:
Cuando un sistema de depuración de aguas residuales incluye la nitrificación, el control de este proceso pasa a tener la máxima prioridad y para ello es de vital importancia conocer la tasa de nitrificación (velocidad de remoción del amonio) con que se está desarrollando, la que debería tener y cuál es el nivel de oxígeno mínimo con que el proceso puede operar para conseguir el rendimiento previsto. Este último punto adquiere una especial importancia de cara a la optimización energética del proceso.
La desnitrificación también es importante. Especialmente en lo que se refiere a la materia carbonosa necesaria para el desarrollo de este proceso.
Todo ello, cuando se utiliza el analizador adecuado, se puede conseguir mediante sencillas aplicaciones de respirometría.
Por esta razón, se podría afirmar que la respirometría actualmente se considera una herramienta fundamental que permite radiografiar las condiciones actuales del proceso de depuración, prever su comportamiento y establecer las condiciones adecuadas para su desarrollo.
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