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viernes, 11 de abril de 2014

BIOLOGICAL NITROGEN REMOVAL / ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO

This is a two-step process: nitrification and denitrification. Nitrification process, that has a two different fases, is the one wich oxidize first ammonium on nitrite (1) by action of ammonium-oxidizer-bacteria, and after that in nitrate (2) by the action of nitrite-oxidizer-bacteria. The nitrification process acidifies the medium, while it recovers alkalinity and raises the pH in denitrification process.

 Este proceso lo comprenden dos pasos; la nitrificación, y la desnitrificación. El proceso de nitrificación, que se realiza en dos fases, es aquél en el que el amonio se oxida a nitrito primero (1) por la acción de las bacterias amonio-oxidantes y a nitrato después (2) por acción de las bacterias nitrito-oxidantes. En la nitrificación se acidifica el medio y en la desnitrificación se recupera alcalinidad y sube el pH.


(1)        NH4+ 1.5O2    NO2+ H2O + 2H+ energía
(2)        NO2+ 0.5O    NO3+ energía                          

The ammonium oxidation step on nitrite is carried out by ammonium-oxidizer-bacteria (AOB), although there are ammonium-oxidizer-archaea (AOA), which belongs to Archaea domain.

El paso de oxidación de amonio a nitrito lo realizan las bacterias amonio-oxidantes (AOB), aunque existen archaea amonio-oxidantes (AOA) pertenecientes al dominio Archaea.


The most commonly AOB of Proteobacteria phylum, found on WWTP belongs to Nitrosomonas genus: N. europaea, N. eutropha, N. mobilis and N. oligotropha. These bacteria are affected by high pH values, low temperatures and low rates of Dissolved Oxygen. These bacteria normally develop inside the floc forming spherical compact clusters, as seen in the image (FISH).

Las AOB del phylum Proteobacteria que aparecen en EDAR de manera más común son del género Nitrosomonas: N. europaea, N. eutropha, N. mobilis y N. oligotropha. Estas bacterias son sensibles a pH excesivamente alto, a bajas temperaturas y a bajas concentraciones de oxígeno disuelto. Normalmente estas bacterias se desarrollan dentro del flóculo formando agrupaciones esféricas compactas, como se ven en la imagen (FISH).


The bacteria who oxidize nitrite to nitrate are nitrite-oxidizing-bacteria (NOB) and, although there are four phylogenetic groups performing this process, only 2 are common in WWTP. These genera Nitrospira and Nitrobacter. The first kind is better suited to the condition of low concentrations of nitrite and dissolved oxygen while Nitrobacter fits better in higher concentrations that occur for example in Batch reactors.

Las bacterias que oxidan el nitrito a nitrato son las bacterias nitrito-oxidantes (NOB), y aunque hay cuatro grupos filogenéticos que realizan este proceso, sólo 2 son comunes en EDAR. Se trata de los géneros Nitrospira y Nitrobacter. El primer género se adapta mejor a las condiciones de bajas concentraciones de nitrito y oxígeno disuelto mientras que Nitrobacter se adapta mejor en concentraciones más altas que se dan por ejemplo en reactores Batch. 


 (3)        NO3 6H+    N+ 3H2O

In the biological nitrogen removal, the second step is carried out by denitrifying bacteria, which are a much more heterogeneous group. In the WWTP mainly appears genus Pseudomonas, although there are many others. Are primarily facultative heterotrophic bacteria (there are also autotrophic facultatives) that have the capacity to use nitrate as an electron acceptor instead of oxygen when in anoxic conditions.

En la eliminación del nitrógeno de manera biológica el segundo paso lo llevan a cabo las bacterias desnitrificantes, que son un grupo mucho más heterogéneo. En EDAR principalmente aparece el género Pseudomonas, aunque hay muchos otros. Son sobre todo bacterias heterótrofas facultativas (hay también autótrofas facultativas) que tienen la capacidad de utilizar el nitrato como aceptor de electrones en lugar del oxígeno cuando se encuentran en condiciones de anóxia. 

The most important parameters affecting the dynamics of populations of bacteria are the death rate (quite similar in all bacteria), and its growth or generation rate. The concentration of their respective substrates, either ammonium, nitrite or nitrate, and concentration of the electron acceptor used by them in each case, either dissolved oxygen in the case of nitrifying bacteria or nitrate in the case of denitrifying bacteria. Also affect factors such as temperature or pH , although in this case the operator of the WWTP can do little to change them.

Los parámetros más importantes que afectan a las dinámicas de poblaciones de las bacterias son su velocidad de muerte (bastante parecido en todas las bacterias), y su velocidad de crecimiento o generación. La concentración de sus respectivos sustratos, ya sea amonio, nitrito o nitrato, y concentración del aceptor de electrones utilizado en cada caso, ya sea oxígeno disuelto en el caso de las nitrificantes o nitrato en el caso de las desnitrificantes. Afectan también factores como la temperatura o el pH, aunque en este caso el operador de la EDAR poco puede hacer para modificarlos. 

In the nitrification process, the main problems encountered are; low oxygen concentration, which is especially important for the functioning of the AOB, whose activity is limited in rates below 2 mg/l of dissolved oxygen. Another problem may be the excessive aeration and high amount of dissolved oxygen contaminating the reactor volume in which it is intended to denitrification, in fact, is a very common error when the internal recirculation flow rate is very high. Another problem may be simultaneous biological removing of nitrogen and phosphorus, specially when the wastewater does not have enough substrate to satisfy bacterial demands.

En los procesos de nitrificación, los principales problemas que se dan son, la concentración baja de oxígeno, que es especialmente importante para el funcionamiento de las amonio-oxidantes, cuyo funcionamiento se limita por debajo de 2 mg/l de oxígeno disuelto. Otro problema puede ser que el exceso de aireación y la elevada cantidad de oxígeno disuelto contamine el volumen del reactor en el que se pretende realizar la desnitrificación, de hecho, es un error muy común cuando el caudal de recirculación interna es muy elevado. Otro problema puede ser el querer eliminar biológicamente el nitrógeno y el fósforo, y que el agua residual no disponga de sustrato suficiente para satisfacer la actividad bacteriana.

Substantial improvements in these biological processes are; 1) the proper aeration ( > 2 mg/l DO) on nitrification zones, but with a gradual lowering of dissolved oxygen to end of reactor, where nitrate carrying water is recirculated to the denitrification zone. 2) A strong internal recirculation ensures the possibility to remove more nitrates. 3) Having a exclusive denitrification area, that works as a methabolic selector, allows and powers growth facultative bacteria versus those that are not.

Como mejoras sustanciales en estos procesos biológicos suelen señalarse; 1) la correcta aireación (>2mg/l OD) de las zonas de nitrificación, pero con una progresiva bajada del oxígeno disuelto hasta cola de reactor, desde donde se recircula el agua cargada de nitratos hacia la zona de desnitrificación. 2) Una recirculación interna potente asegura la posibilidad de eliminar más nitratos. 3) Tener una zona de desnitrificación exclusivamente para ello, ya que actúa como un selector que potencia el crecimiento de las bacterias facultativas frente a aquellas que no lo son.

*Corrections are accepted in English version. I'm really sorry for the mistakes.

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