Evaluación del proceso de nitrificación en un sistema de fangos activos mediante técnicas respirométricas y su relación con bioindicadores y variables de proceso

Abstract

[ES] La sociedad actual enfrenta una serie de problemas ambientales que se han intensificado a razón del crecimiento exponencial de la población. Dos de los principales problemas ambientales a nivel local son el deterioro marino y la contaminación del recurso hídrico, los cuales se suman al problema mundial de pérdida de biodiversidad. Para afrontar estas problemáticas ambientales, se han creado diferentes estrategias de control. Una de ellas son las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), cuyo principal objetivo es eliminar o reducir los contaminantes presentes en el agua, para su posterior vertido a los cuerpos de agua. Uno de los contaminantes más importantes en las aguas residuales y perjudiciales para la vida acuática, por sus características tóxicas y precursoras de la eutrofización, son los compuestos nitrogenados, los cuales son eliminados mediante un proceso biológico de nitrificación y desnitrificación. El primero de ellos, es realizado en dos etapas bajo condiciones aerobias por dos grupos de bacterias filogenéticamente diferentes, las bacterias amoniooxidantes, las cuales realizan la oxidación de amonio a nitrito, y las bacterias oxidantes del nitrito, responsables de la oxidación de nitrito a nitrato.

Ingenieros y científicos están inmersos en la búsqueda continua de conocer más a fondo los procesos biológicos que se desarrollan en los reactores de las EDAR, al igual que encontrar la mejor forma de explotación de estas para obtener el máximo beneficio al menor costo económico. El presente TFM se ha desarrollado dentro del proyecto de investigación: ¿Estudio de la influencia de las variables operacionales y fisicoquímicas en la dinámica de la estructura de la población de bacterias nitrificantes¿, realizado por el Grupo de Química y Microbiología del Agua del IIAMA, para la EDAR Molina de Segura. Este proyecto se enmarca dentro de las estrategias de mejora del proceso biológico de la EDAR, las cuales tienen como objetivo aumentar la calidad del efluente y optimizar el coste energético del proceso. Dicha instalación está diseñada para tratar un caudal medio de 25.000 m3/d con un proceso biológico A/O.

El objetivo de este trabajo fue estudiar la variabilidad en las tasas de respiración de las bacterias nitrificantes en función de las variables operacionales, fisicoquímicas y biológicas (protistas y metazoos) de la EDAR Molina de Segura, que cuenta con un proceso de fangos activados. Para lograrlo se tomaron 22 muestras del licor mezcla, durante el período de noviembre de 2017 a junio de 2018. A cada una de estas muestras se le realizó la medición de las tasas de respiración endógena y exógena, siguiendo un protocolo establecido para tal fin, además de los valores de los parámetros cinéticos y estequiométricos de las bacterias nitrificantes y heterótrofas. Posteriormente, se relacionó estadísticamente los valores de las variables ambientales con los resultados de las variables respirométricas. Dicho análisis se basó en la exploración del conjunto de variables empleando diferentes estrategias, entre ellas, el análisis bivariante (correlación de Pearson), análisis de conglomerados (clúster), técnicas multivariantes con un enfoque no paramétrico (nMDS) y, finalmente, un análisis de interpretación ambiental mediante la construcción de modelos lineales basados en la distancia (DISTLM).

Los resultados obtenidos han mostrado que el proceso de nitrificación de la EDAR es limitado, debido a las condiciones de operación desfavorables para el crecimiento de las bacterias nitrificantes. Entre estas, destaca elevados sólidos suspendidos volátiles en el licor mezcla (SSVLM), los cuales duplican los valores habituales de otras depuradoras y, con ello, la baja carga de nitrógeno amoniacal (CN-NH4+). Además, el elevado tiempo de retención hidráulico en el decantador secundario (TRHds) causa estrés ambiental, reducción en la tasa de crecimien

[EN] Today's society faces a series of environmental problems that have become intensified due to the exponential growth of the population. Two of the main environmental problems at the local level are marine deterioration and pollution of the water resources, which are a global problem of biodiversity loss. To confront these environmental problems, different control strategies have been created.

One of them is the sewage treatment plants (WWTP), whose main objective is to eliminate or reduce the pollutants present in the water, for its later discharge to the water tanks. One of the most important pollutants in wastewater and harmful to aquatic life, due to its toxic characteristics and precursors of eutrophication, are the nitrogen compounds, which are eliminated through the biological process of nitrification and denitrification. The first of them, is carried out in two stages under aerobic conditions by two groups of phylogenetically different bacteria, the ammonium oxidizing bacteria, which carry out the oxidation of ammonium to nitrite, and the oxidizing bacteria of nitrite, responsible for the oxidation of nitrite to nitrate.

Engineers and scientists are immersed in the constantly seeking to know more about the biological processes that take place in WWTP reactors, as well as to find the best way to exploit them to obtain the maximum benefit at the lowest economic cost. This master thesis has been developed within the research project: "Study of the influence of operational and physicochemical variables on the dynamics of the structure of nitrifying bacteria", which is carried out by the IIAMA Water Chemistry and Microbiology Group, for the Molina de Segura WWTP. This project is part of the strategies to improve the biological process of the WWTP, which aims to increase the quality of the effluent and optimize the cost of the process. This installation is designed to treat an average flow of 25,000 m3/d with a biological process A/O.

The objective of this work was to study the variability in the respiration rate of the nitrifying bacteria in function of the operational, physicochemical and biological variables (protists and metazoans) of the Molina del Segura WWTP which has an activated sludge process. To achieve this, 22 samples of the mixed liquor were taken during the period from November 2017 to June 2018. Each of these samples was measured the endogenous and exogenous respiration rates, following a protocol established for that purpose, besides the values of the kinetic and stoichiometric parameters of the nitrifying and heterotrophic bacteria. Subsequently, the values of the environmental variables were statistically related to the results of the respirometric variables. This analysis was based on the exploration of the variables using different strategies, among them, the bivariate analysis (Pearson correlation), cluster analysis (cluster), multivariate techniques with a non-metric multidimensional scaling (nMDS) and, finally, an analysis of environmental interpretation through the construction of linear models based on distance (DISTLM).

The results obtained have shown that the nitrification process of the WWTP is limited, due to the unfavorable operating conditions for the growth of the nitrifying bacteria. Among these, the volatile suspended prices in the mixed liquor (SSVLM) stand out as they double the usual values of other purifiers and, with it, the low ammoniacal nitrogen load (CN-NH4+). In addition, the high hydraulic retention time in the secondary decanter (TRHds) causes environmental stress, reduction in growth rate and cell lysis. On the other hand, the deficiency of nutrients, due to the precipitation of phosphorus with ferric chloride at the entrance of the reactor, as well as the low nitrogen load, also limit this process. Finally, the organic load (CM), favors the growth of heterotrophic bacteria on nitrifiers.

The plant has a high performance of nitrogen removal, stable during the study