El aumento de la concentración de nutrientes (nitrato y fosfato) en los cauces naturales derivado de la actividad humana acelera el crecimiento natural de las algas y plantas acuáticas, dando lugar al fenómeno conocido como eutrofización. El crecimiento descontrolado de las plantas acuáticas perjudica seriamente el ecosistema porque impide la llegada de luz a las partes más profundas de los cauces (paralizando los procesos fotosintéticos) e implica un consumo excesivo del oxígeno disuelto. Ambos efectos combinados suponen la pérdida de las condiciones aerobias y provocan la muerte de la mayoría de las especies que formaban parte del ecosistema inicial. Actualmente, existen un gran número de peces de agua dulce endémicos de la región mediterránea amenazados con la extinción debido a diversos problemas medioambientales, entre los que destaca la eutrofización de los cauces. Las actividades humanas que favorecen la eutrofización de los ríos y lagos son muy diversas pero entre ellas cabe destacar el empleo de fertilizantes, la producción masiva de ganado y el vertido de aguas residuales de origen urbano e industrial. El desarrollo de sistemas biológicos de eliminación de nutrientes se está utilizando cada vez más en las estaciones de depuración de aguas residuales (Water Research 41 (2007) 2271-2300).

[Grupo de Ingeniería Química y Ambiental
Universidad Rey Juan Carlos]

En el campo de la depuración de aguas, el empleo de procesos biológicos para conseguir una eliminación eficaz de los nitratos y los fosfatos es una práctica cada vez más habitual. Mientras que los sistemas de lodos activos convencionales permiten la oxidación de la materia orgánica y de los compuestos nitrogenados presentes en el agua residual generando agua, CO₂ y nitratos, la implantación de sistemas más complejos que alternan etapas aerobias, anóxicas y anaerobias proporciona muy buenos resultados en la eliminación, no solo de materia orgánica, sino también de nitratos y fosfatos.

Eliminación de nitratos mediante desnitrificación biológica

La desnitrificación biológica se lleva a cabo empleando bacterias heterótrofas capaces de utilizar el oxígeno de los nitratos para oxidar el carbono orgánico y producir CO₂. Los nitratos al reducirse generan nitrógeno (N₂) que se elimina de la corriente de agua tratada mediante un simple proceso de aireación. Para que el proceso de desnitrificación suceda de forma correcta es necesario que el medio se encuentre en condiciones anóxicas y que las bacterias cuenten con una fuente de carbono fácilmente biodegradable.

Uno de los procesos más eficaces para llevar a cabo la desnitrificación biológica está basado en la alternancia de etapas anóxicas y aerobias tal como se describe en la figura 1.

Fig. 1. Degradación de la materia orgánica y nitrificación/desnitrificación biológica.

Los procesos biológicos que tienen lugar en cada una de las etapas son los siguientes:

ü      Zona anóxica I.  El carbono presente en el la corriente de entrada se emplea para reducir los nitratos recirculados a N₂. La elevada carga orgánica permite que la desnitrificación sea muy rápida.

ü      Zona aerobia I. Se produce la oxidación de la materia orgánica de origen carbonoso y del amonio existente en el agua residual generándose agua, CO₂ y nitratos.

ü      Zona anóxica II.  Los nitratos no recirculados se desnitrifican en esta etapa. Generalmente la fuente de carbono es carbono endógeno.

ü      Zona aerobia II. La aireación de la mezcla ayuda a eliminar el N₂ formado en las dos etapas anóxicas. Se produce la nitrificación del amonio que no se haya oxidado en la anterior etapa aerobia.

Eliminación de biológica de los fosfatos.

Tradicionalmente los fosfatos se han eliminado del agua residual mediante precipitación química, no obstante, los tratamientos biológicos para eliminar este nutriente son cada vez más habituales. En un proceso de lodos activos se produce la incorporación de ortofosfatos, polifosfatos y fósforo orgánico al metabolismo celular para almacenar energía en forma de ATP. Esta incorporación supone la eliminación de un 10-30 % del fósforo del afluente. Los procesos biológicos desarrollados específicamente para la eliminación del fósforo están basados en que, bajo ciertas condiciones aerobias, algunas bacterias son capaces de retener una cantidad de fósforo más elevada de la que necesitan para su metabolismo. Para que dichas bacterias se desarrollen correctamente necesitan la presencia de ácidos orgánicos volátiles que, a su vez, se generan a partir de la degradación de la materia orgánica del agua en condiciones anaerobias. Estos dos requerimientos implican que la eliminación biológica de fósforo deba hacerse mediante la alternancia de etapas anaerobias y aerobias:

ü      Etapas anaerobias. La célula utiliza la energía acumulada para metabolizar los ácidos volátiles vaciando su stock de polifosfatos en forma de fosfatos al agua.

ü      Etapas aerobias. Los fosfatos presentes en el agua son convertidos en polifosfotos incrementando la reserva energética de la célula. Para acumular esta energía se metabolizan la materia orgánica generándose CO₂ y H₂O.

Eliminación conjunta de nitratos y fosfatos.

Combinando los procesos anteriores se consiguen elevados grados de eliminación de ambos nutrientes. La forma más habitual de hacerlo es incorporar una etapa anaerobia al inicio del sistema mostrado en la figura 1. Dicha etapa permite la generación de ácidos orgánicos volátiles que se emplean en la etapa aerobia para la acumulación celular de los fosfatos del agua.

Este tipo de sistemas de tratamiento biológico se ha aplicado con éxito en aguas residuales de origen urbano e industrial alcanzándose porcentajes de eliminación de nitratos y fosfatos superiores al 70 %.