Desnitrificación

En respuesta al problema de la contaminación por nitratos, han surgido diversas tecnologías para eliminarlo del medio tales como intercambio iónico, ósmosis inversa, electrodiálisis y desnitrificación biológica. Entre las diversas alternativas, se prefieren los tratamientos biológicos por su simpleza, selectividad y bajo coste ante los físico- químicos, más caros y con mayor generación de residuos tóxicos.

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Principio básico de la desnitrificación

La desnitrificación es un proceso que realizan ciertas bacterias durante la respiración usando el nitrato como aceptor de electrones en condiciones anóxicas (ausencia de oxígeno). El proceso de reducción de nitratos hasta nitrógeno gas ocurre en etapas seriales, catalizadas por sistemas enzimáticos diferentes, apareciendo como productos intermedios nitritos, óxido nítrico y óxido nitroso:

La desnitrificación requiere un sustrato oxidable ya sea orgánico o inorgánico que actúe como fuente de energía, por lo que la desnitrificación puede llevarse a cabo tanto por bacterias heterótrofas como autótrofas. En la desnitrificación heterótrofa, un sustrato orgánico, como metanol, etanol, ácido acético, glucosa, etc. actúa como fuente de energía (donador de electrones) y fuente de carbono. En la desnitrificación autótrofa, la fuente de energía es inorgánica, como hidrógeno o compuestos reducidos de azufre: sulfhídrico (H₂S) o tiosulfato (S₂O₃²-), la fuente de carbono, también inorgánica, es el CO₂.

El mayor problema de la desnitrificación biológica es la contaminación potencial del agua tratada con: bacterias, fuente de carbono residual (desnitrificación heterótrofa) y la posibilidad de formación de nitritos, lo cual hace necesario un post-tratamiento. A día de hoy, los procesos desarrollados para la desnitrificación biológica son diversos usando distintos sustratos y diferentes configuraciones de reactores. Pero hay que destacar que prácticamente la totalidad de los sistemas de desnitrificación desarrollados se basan en la desnitrificación heterótrofa habiendo un gran vacío en el conocimiento y desarrollo de la desnitrificación autótrofa.

Desnitrificación heterótrofa

La desnitrificación heterótrofa es un proceso biológico de reducción del nitrato presente en las aguas residuales a nitrógeno molecular en condiciones anóxicas por la acción de bacterias heterótrofas (Pseudomonas, Paraccocus, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus), que usan un sustrato orgánico como fuente de carbono y energía.

En el proceso de desnitrificación existe además la posibilidad de acumulación de intermediarios (NO2-, N2O, NO) debido al tipo y concentración del sustrato empleado o a las condiciones de operación (temperatura, pH, tiempo de residencia hidráulico, tiempo de retención celular). En base a esto, para que la transformación culmine en N2, deberán controlarse las condiciones ambientales como el nivel de O2 disuelto, la fuente de carbono orgánico, la concentración de nitratos, la relación C/N, la disponibilidad de fósforo, pH, temperatura y posible presencia de tóxicos. (Cervantes et al., 1999; Moratalla, 1997)

Una de las reacciones tipo que implica una desnitrificación heterótrofa podría ser la de la oxidación del ácido acético:

1.25 CH3COOH + 2NO3-  2.5CO2 + N2 + 2OH- + 1.5 H2O.

∆Gº´=-1054.8 kJ/ reacción. Ecuación (1)

La desnitrificación heterótrofa es ampliamente aplicada por su alta eficiencia y bajo costo. La tasa de desnitrificación heterotrófica es alta, permitiendo el uso de reactores de poco volumen y bajos costes. Sin embargo el carbón residual de este proceso causa diversos problemas para el tratamiento de aguas potables, lo que convierte a la desnitrificación autótrofa en una buena alternativa.

Desnitrificación autotrofa

Algunas bacterias desnitrificantes son quimiolitoautótrofas y pueden oxidar compuestos inorgánicos de azufre como sulfhídrico (H2S), azufre elemental (S0), tiosulfato(S2O32-) o sulfito(SO32-) anaeróbicamente a expensas de la reducción del nitrato (Kuenen et al.1992). Entre ellas, autótrofos obligados que crezcan a pHs neutros tan solo se conocen dos: Thiobacillus denitrificans y Thiomicrospira denitrificans (Schedel y Truper, 1980; Kuenen et al.1992; Timmer-Ten Hoor, 1975) y pueden llevar a cabo la sulfoxidación en condiciones aeróbicas o anóxicas. Recientemente se ha aislado Thioalkalivibrio denitrificans, un autótrofo, oxidador de azufre, capaz de crecer anaeróbicamente usando nitrito como aceptor de electrones a pH básico (Sorokin, D.Y., 2001).

Las ventajas de este proceso respecto a la heterotrofía son varias. Para el tratamiento de aguas residuales, evita tener que añadir materia orgánica, reduciéndose así los costes, 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 desinfección de la zona por los productos producidos debido a que los organismos autotrófos crecen mas despacio y producen menos biomasa, con la consiguiente formación de menos productos celulares( K.S.Haugen.2002). Además los organismos autótrofos están mejor adaptados para el tratamiento de aguas subterráneas porque crecen a bajas concentraciones de compuestos orgánicos biodegradables. También posee un gran interés comercial y desde el punto de vista de la biotecnología ambiental puesto que es uno de los pocos ejemplos en los que puede oxidarse biológicamente compuestos reducidos del azufre (sulfoxidación) en ausencia de oxígeno elemental. Pero la principal ventaja de este proceso es la aparición de la desnitrificación acoplada a la oxidación de compuestos reducidos del azufre, combinando la eliminación simultánea de dos tipos de contaminantes, los nitratos y los compuestos reducidos del azufre (ecuación 2), teniendo así gran interés por sus aplicaciones biotecnológicas.

Aplicaciones

Algunas de las aplicaciones, reales o potenciales de la desnitrificación autótrofa son:

• Control de problemas de corrosión y olores por sulfídrico en sistemas de alcantarillado mediante la adicción de nitrato (Carpenter,1932, Allen.1949, Bentzen et al.,1995).
• Estimulación, mediante adicción de nitratos, de la degradación biológica del sulfhídrico en salmueras de campos petrolíferos, reduciendo los problemas asociados a su toxicidad, corrosividad y tendencia a formar metales insolubles de azufre. (Jenneman et al., 1999, Reinsel et al., 1996)
• Tratamiento del biogás o gas natural para eliminar el H2S presente. (Kleerebezem and Mendez, 2002).
• Eliminación simultanea de N y S en el tratamiento de aguas residuales mediante recirculación de los nitratos resultantes de la fase de nitrificación, a una fase anaerobia, reduciendo los nitratos y oxidando los sulfuros, alcanzando un doble beneficio en una sola etapa (Gommers et al, 1988, Reyes- Avila et al, 2004, Sierra- Álvarez et al., 2005). Esta aproximación no es solo teórica y ya ha sido ensayada para tratar los efluentes de producción de levaduras (Gommers, 1988), aguas residuales urbanas(Yang, X.S., 1993) e incluso como de posible aplicación a aguas potables (Flere, J.M., and T.C.Zhang, 1999).
• Eliminación de nitratos del agua potable (Darbi et al, 2003) y agua residual (Gommers et al, 1988, Nugroho et al, 2002, Am et al, 2005) usando S˚.
• Eliminación de nitrato de aguas subterráneas mediante la inserción de membranas con hidrógeno y dióxido de carbono (KSHaugen. 2002). o usando un lecho mixto con sulfuro y gránulos de calcita en proporción de volumen 1:1 con Thiobacillus denitrificans (Van der Hoek et al., 1992)

En estudios realizados sobre la cinética de la desnitrificación quimiolitótrofa se ha visto que la tasa de desnitrificación y sulfoxidación depende fuertemente de la fuente de S inorgánica usada como dador de electrones resultando ser mejor el tiosulfato, después el sulfhídrico y por último el azufre elemental.(Beristan-Cardoso, 2006).

Un ejemplo es la oxidación del tiosulfato que se ajusta a la siguiente ecuación:

S2O32- + 1.6 NO3- + 0.2 H2O  2 SO42- + 0.8N2 + 0.4 H+

∆Gº´=-765.7 kJ/ reacción. Ecuación (2)