Academic literature on the topic 'Nitrificación'

Se ha estudiado la influencia de la composición del alimento, de un agua modelo, sobre la velocidad de nitrificación utilizando un reactor continuo mezcla completa. Se han ensayado diversos medios recomendados por la bibliografía. Los resultados experimentales se han ajustado a un modelo cinético que implica dos reacciones sucesivas que siguen una cinética tipo Monod. Una vez determinadas las constantes cinéticas se concluye la importancia que ejerce la composición del medio sobre la cinética de la nitrificación.

A finales de 2002, el sistema de aeración de la planta bajo estudio fue cambiado de oxígeno puro a burbuja fina, lo que implica que el volumen del reactor haya quedado pequeño, en el límite de los procesos convencional y de alta tasa. La literatura menciona que para lograr nitrificación plena se requiere mayor tiempo de retención de sólidos que el proceso de remoción de la fracción carbonácea. Por lo que el reto consistía en lograr la nitrificación con bajo tiempo de retención de sólidos en un tanque pequeño. En un primer intento el sistema de burbuja fina quedó corto, por lo que fue necesario rediseñar el sistema de aeración en estado estacionario con el programa de simulación GPS-X. Los resultados obtenidos a la fecha, han superado las expectativas, destacando además disminución en el consumo de energía.

La Comarca Lagunera produce más de 2 433 millones de litros de leche anuales provenientes de un hato de más de 465 mil cabezas de ganado bovino lechero. La contaminación de aguas subterráneas por nitratos y la emisión de gases de efecto invernadero (NO2) son los principales problemas medio ambientales más graves en la agricultura intensiva. El objetivo de esta investigación fue evaluar el efecto de fertilizantes con inhibidor de la nitrificación sobre el rendimiento, calidad forrajera y concentración nutrimental foliar. La investigación se realizó en 2017 en el Campo Experimental La Laguna (INIFAP). Se evaluaron cinco programas de fertilización con y sin inhibidor de nitrificación DMPP más un testigo regional con fertilización convencional. El tratamiento que recibió 240 kg N ha-1 (testigo regional) produjo el más alto rendimiento en forraje verde y materia seca (41.5 t ha-1 y 13.88 t MS ha-1 respectivamente). Sin embargo, estos valores fueron estadísticamente iguales a la dosis de 120 kg N ha-1 + IN DMPP. El mayor rendimiento de grano (6.05 t ha-1) se logró con el tratamiento de 240 kg de N ha-1 + IN DMPP. La mayor concentración de N en el follaje (2.43 y 2.32%) se logró con las dosis más altas de N (360 kg ha-1) sin IN DMPP y con el IN MPP respectivamente. En cuanto a la concentración nutrimental foliar de Mg, S, Fe y Zn no hubo diferencia significativa entre tratamientos. Los análisis de calidad forrajera indican que el mayor contenido de proteína cruda (8.95%) se registró con el tratamiento de 360 kg de N ha-1 + IN DMPP. Se concluye que los fertilizantes con inhibidor de la nitrificación pueden reducir las dosis de N en el maíz forrajero.

SummaryMaize yields where the nitrogen source was sulphur-coated urea combined with ordinary urea were significantly greater than those where an equivalent amount of ordinary urea was applied at identical times. Urea blended with neem cake was less effective.K. P. Prabhakaran Nair y P. B. Sharma: Eficacia comparada de la urea normal y revestida y urea tratada con inhibidores de la nitrificación como fuente de nitrógeno para el maiz

<p>Las pérdidas de nitrógeno a partir de la nitrificación de las fertilizaciones nitrogenadas generan contaminación por las emisiones de óxido nitroso y lixiviación de nitrato. Los reportes de <em>Brachiaria </em>como inhibidor biológico de la nitrificación fueron evaluados al determinar las pérdidas de nitrato de <em>Brachiaria humidicola </em>CIAT 679 (planta indicadora de inhibición biológica de nitrificación) y <em>Panicum maximum </em>cv. tanzania (planta no inhibidora). Para la producción de nitrato se empleó la técnica de suelo incubado y para las pérdidas de nitrato se emplearon resinas de intercambio iónico PRSTM Probes. Los tratamientos de fertilización nitrogenada fueron de 0, 150 y 300 kg ha-1 por año; las resinas se instalaron a tres profundidades en el suelo, los análisis de laboratorio se realizaron mediante espectroscopía de ultravioleta visible con longitud de onda de 410 nm para nitrato. <em>B. humidicola </em>redujo las producciones de nitrato en el suelo y las dosis de nitrógeno no generaron variaciones en las producciones, lo que evidenció un efecto en la inhibición de la nitrificación. Las pérdidas de nitrato, se redujeron después de 18 meses en la <em>B. humidicola; </em>y para <em>P. maximum </em>puede evitar las pérdidas de nitrato por su habilidad de tomar el nitrógeno en forma amoniacal del suelo, pero no reduce la producción de nitrato, ya que no inhibe la nitrificación. Los suelos dedicados a la producción ganadera con la pastura <em>B. humidicola </em>pueden reducir las producciones y las pérdidas de nitrato. <em>P. maximum</em>, por su habilidad y buena respuesta a la fertilización nitrogenada pudo reducir las pérdidas, pero no logró reducir las producciones de nitrato. </p><p> </p><p><strong>Production and loss of nitrate in <em>Brachiaria humidicola </em>and <em>Panicum maximum </em>in the Sinu river valley</strong></p><p>Nitrogen loss, from the nitrification of nitrogen fertilizer, creates pollution through nitrous oxide emissions and nitrate leaching. The reports on <em>Brachiaria </em>as a biological nitrification inhibitor were evaluated to determine nitrate losses of <em>Brachiaria humidicola </em>CIAT 679 (indicator plant for biological nitrification inhibition) and <em>Panicum maximum </em>cv. tanzania (non-inhibiting plant). The incubated soil technique was used for the production of nitrate and for losses of nitrate, ion exchange PRSTM Probes resins were used. The nitrogen treatments were 0, 150 and 300 kg ha-1 per year, the resins were installed at three depths in the soil, laboratory analysis was performed using ultraviolet-visible spectroscopy with a wavelength of 410 nm for nitrate. <em>B. humidicola </em>reduced outputs of nitrate in the soil and the nitrogen doses did not generate variations in production, which showed an effect on the inhibition of nitrification. Nitrate losses were reduced after 18 months in <em>B. humidicola</em>, and <em>P. maximum </em>can avoid nitrate losses with its ability to take nitrogen from the soil in an ammonia form, but does not reduce nitrate production, and does not inhibit nitrification. In cattle pasture soils, <em>B. humidicola </em>can reduce nitrate production and loss. <em>P. maximum </em>with its ability and good response to nitrogenated fertilization could have reduced losses, but failed to reduce nitrate production. </p>

It was studied the relationship among means alkalinity concentration as calcium carbonate, and the nitrification process in an aerated oxidation lagoon in batch and pilot scale (1,72 m3 as total volume and 1,46 m3 as effective one) working on a residual synthetic liquid, elaborated with base in sucrose, sulfate and ammonium phosphate. The results demonstrated that when being increased the initial alkalinity in the range from 120 to 360 mg CaCO3/dm3, the nitrification process efficiency increased significantly until the surroundings of the 86%, decreasing when being this with smaller and bigger values that said range. The dissolved oxygen concentration stayed around 4,3 mg/dm3, belonging together with the aerobic character of the microorganisms for nitrification (Nitrosomona and Nitrobacter). The initial concentration of total nitrogen in each one of the 14 processes batch was 38 mg/dm3 and the same one went down to minimum values around 4,56 mg/dm3.

Organic nitrogen concentration and nitrifying efficiency were related with aerobic reactor operation time, varying from zero up to 50 days and working as a Conventional Activated Sludge System, inoculated with sludge from a trickling filter system, packed with plastic media. The total nitrogen concentration at the beginning was adjusted to 70 mg/dm3 , by means of lysine addition and, and the corresponding to dissolved oxygen stayed at least in 3 mg/dm3 . The maximum nitrification efficiency for converting total nitrogen to nitrate was 86%, and about 30 days, was not significantly increased and the alkalinity (expressed as CaCO3) was reduced from 425 down to 57 mg/dm3 , decreasing about 7,50 mg/dm3 for each mg/dm3 of organic nitrogen converted to nitrate.

Los rellenos sanitarios brindan una técnica de disposición y tratamiento efectivo de residuos sólidos los cuales, con la degradación de la materia orgánica y la percolación del agua lluvia, generan lixiviados. Es posible tratar los lodos generados del tratamiento de lixiviados a través de un reactor biológico discontinuo secuencial –SBBR–, que oxida el sustrato y favorece la degradación y nitrificación. El estudio tiene como objetivo el tratamiento biológico a los lodos de lixiviado del Relleno Sanitario Doña Juana, Bogotá D. C.-Colombia, por medio de un SBBR, para lograr la reducción de los impactos ambientales. Se empleó un sistema piloto, con 10 recambios de lodo (uno por semana) en 70 días. El sistema de aireación fue controlado por medio de parámetros como pH, temperatura y oxígeno disuelto que determinaron la correcta actividad biológica. Se logró una disminución del 40 % del nitrógeno total en la mezcla de lodo final, y para el clarificado final, una reducción de DBO en 99,6 % y DQO en 98 %. Ello conduce a concluir que el proceso biológico con la incorporación de la aireación extendida permite la mitigación de la carga contaminante.

Para la estabilización de la materia orgánica en el tratamiento de las aguas residuales no solo es significativo establecer la cinética de crecimiento microbiano sino la interrelación de la remoción de nutrientes como el nitrógeno, dada la similitud de coeficientes, tasa de crecimiento específica y los ajustes por temperatura del agua, que lo representa tanto para la remoción de la materia orgánica como para los procesos de nitrificación y denitrificación presentes en el tratamiento biológico de las aguas residuales. Por ello, esta similitud teórica de las cinéticas de crecimiento microbiano y de los procesos de remoción de nitrógeno constituye consideraciones concisas para el proceso de dimensionamiento de sistemas de tratamiento biológicos de tratamiento de aguas residuales, que ayudan a entender el proceso simultáneo de remover materia orgánica y nutrientes del agua residual cruda.

El trabajo se ha desarrollado en el marco del proyecto MELISSA (Micro Ecological LIfe Support System Alternative) de la Agencia Europea del Espacio. Este proyecto se basa en el diseño de un Sistema de Soporte de Vida basado en microorganismos que pretende gestionar la atmósfera a partir de la transformación de los residuos generados en alimento comestible. Uno de las partes del proyecto es un biorreactor de nitrificación biológica, dicha parte es la que se desarrolla en el presente trabajo. Se ha realizado la caracterización de la operación del proceso de nitrificación biológica en forma de biopelícula en reactores de lecho fijo, para lo cual se han utilizado un reactor a escala piloto (de aproximadamente 8 L de volumen total), y tres reactores a escala laboratorio (de 0.65 mL de volumen total) con las bacterias Nitrosomonas europaea (ATCC 19718) y Nitrobacter winogradskyi (ATCC 25391) inmovilizadas sobre cuentas de poliestireno (Biostyr®).

Dentro de la parte de desarrollo de los reactores, se implementó la instrumentación básica y se configuró el control de las principales variables biotecnológicas que afectan al proceso de nitrificación biológica en biopelícula: pH, temperatura, oxígeno disuelto, presión, control de nivel, etc. Para profundizar en el conocimiento de este tipo de reactores se realizó una caracterización física en la que principalmente se estudió la mezcla de la fase líquida y la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno de la fase gas a la líquida. Posteriormente se definió y validó un modelo que permite describir la mezcla de la fase líquida en los reactores de lecho fijo que se utilizaron.

Con ambos tipos de biorreactores se realizaron experimentos en continuo de nitrificación biológica para determinar el efecto de las principales variables que afectan al proceso: carga amoniacal, temperatura y oxígeno disuelto. A partir del análisis de éstos experimentos se ha definido y validado un modelo dinámico que permite describir satisfactoriamente los resultados experimentales obtenidos e interpretar diferentes aspectos con relación a la nitrificación biológica, como son la respuesta del sistema ante perturbaciones de carga amoniacal ya sea debido a variaciones en el tiempo de residencia hidráulico o variaciones de la concentración de amonio en el alimento.
The present work has been developed in the frame of the MELISSA project (Micro Ecological LIfe Support System Alternative) of the European Space Agency (ESA). The aim of the project is the design of a Life Support System based in microorganisms, to manage the atmosphere from the transformation of the generated wastes into edible matter. A part of the project is a biological nitrifying bioreactor, which is developed in the present work. A complete characterisation of the operation of the biofilm nitrification process in fixed bed reactors has been carried out. To this purpose, a pilot reactor (8 L of total volume) and three bench reactors (0.65 L of total volume) with immobilised biomass (Nitrosomonas europaea, ATCC 19718 and Nitrobacter winogradskyi, ATCC 25391) onto the surface of polystyrene beads (Biostyr®, used as physical support of the bacteria) were used.

In the part of reactor development, the basic instrumentation and control configuration of the main biotechnological variables that have direct influence in the biofilm nitrification process were implemented: pH, temperature, dissolved oxygen, pressure, level control, etc. To go deeply into the study of the behaviour of these reactors, a physical characterisation was carried out. Mainly, the liquid phase mixing and the oxygen mass transfer coefficient from the gas to the liquid phase were studied. After this, a mathematical model was defined and validated in order to describe the liquid phase mixing in the fixed bed reactors used.

Biological nitrifying experiments operating in continuous mode were carried out using both, pilot and bench reactors, to determine the effect of the main variables that have strong influence on the process: ammonium input load, temperature and dissolved oxygen. From the analysis of the experiments, a dynamic model that allow the proper description and interpretation of the experimental results obtained has been defined and validated. This model provides a suitable description of the system response against perturbations in the ammonium load, due to changes in the residence time used or, on the other hand, after variations in the input ammonium concentration.

Doctor en Ingeniería Eléctrica
En la actualidad existen industrias (petroquímicas, farmacéuticas) cuyos residuos líquidos contienen elevadas concentraciones de nitrógeno. Una alternativa altamente utilizada es la Remoción Biológica de Nitrógeno en Sequencing Batch Reactors. Esta técnica ofrece como ventajas alta eficiencia de conversión y consumo reducido de productos químicos. Como desventaja posee los gastos operacionales inherentes del proceso, como por ejemplo: gastos energéticos y costos asociados a la eliminación de biomasa. Gran parte de las investigaciones que buscan optimizar la eficiencia de la Remoción Biológica de Nitrógeno, se centran en la fase de nitrificación (fase aeróbica), por ser la encargada de la conversión de productos que son utilizados posteriormente en la desnitrificación. Dentro de estas investigaciones se cuentan el uso de modelos fenomenológicos, estimación de estados, estimación del término de fase aeróbica y la estrategia denominada nitrificación parcial, que destaca por sus alcances en reducción de costos y tiempos de operación del reactor. A pesar de que existe un gran número de investigaciones, todavía existen brechas importantes que acortar, y una de esas representa la falta de una integración de estrategias , en la cual, estrategias tales como estimación del término de fase aeróbica, permitan potenciar y mantener una nitrificación parcial estable en el largo plazo. En el presente trabajo de Tesis se propone la elaboración de estrategias de estimación y pronóstico del término de la fase aeróbica para el proceso de Remoción Biológica de Nitrógeno en un Sequencing Batch Reactor, con el fin de aumentar la eficiencia del proceso y reducir sus costos. En primer lugar y mediante simulación, se analiza la influencia de la duración de la fase aeróbica sobre la eficiencia global del proceso de Remoción Biológica de Nitrógeno operado bajo nitrificación parcial. En segundo lugar, se proponen y desarrollan dos tipos de enfoques que aportan con la estimación del término de la fase aeróbica. El primero es un enfoque basado en extracción de características y clasificadores Support Vector Machines. En cambio, el segundo es un enfoque basado en Filtro de Partículas para estimar la concentración de amonio en el reactor y posteriormente pronosticar el término de la fase aeróbica. Los resultados de simulación refuerzan la idea de incorporar herramientas que estimen el término de la fase aeróbica de manera precisa, para así lograr una reducción de los costos y de los tiempos de operación de manera estable en el largo plazo. En cuanto a los enfoques propuestos, su entrenamiento, verificación y posterior validación fueron realizados utilizando datos experimentales provenientes de un reactor secuencial batch a escala piloto.

Se ha estudiado el efecto de la alimentación en las zonas húmedas construidas de flujo sub_superficial horizontal, en la eficacia y eficiencia para eliminación de materia orgánica, nutrientes y microorganismos, de las aguas residuales municipales. El fin perseguido es dar aportes en la gestión de este tipo de tratamientos, comunes en pequeñas comunidades (de menos de 1000 habitantes). Para lograr ese objetivo general, se realizó el estudio en unas zonas húmedas construidas piloto en la EDAR de Montcada i Reixac, así como también se estudiaron los casos de las zonas húmedas localizadas a ambos márgenes del río Besòs, la EDAR de Els Hostalets de Pierola y el sistema de zonas húmedas terciarias del río Ripoll. En la EDAR de Montcada i Reixac, se analizaron los desempeño de 4 de las zonas húmedas piloto, de las cuales, dos operaban con cubierta vegetal de Phragmites australis, mientras las otras dos no la poseían. Además dos de las zonas húmedas operaron con alimentación continua, mientras que las otras dos lo realizaron de manera fraccionada, manteniendo constante la carga hidráulica en cada una de ellas. Asimismo se analizaron cuatro estudios de caso, con diferentes calidades del influente: dos de ellos empleado las zonas húmedas como mejorador paisajístico, en dos parques fluviales. Un tercer estudio de caso se realizó empleando como influente agua residual de una porqueriza (con elevados valores de materia orgánica). El último estudio de caso se realizó en la EDAR de Els Hostalets de Pierola, que permite la operación de su zona húmeda, como un tratamiento secundario o terciario. Se observa que la alimentación fraccionada mejora notablemente la eficiencia en la reducción de materia orgánica, nutrientes y microorganismos: Esto debido a que el humedal construido, logra mejorar sus condiciones aeróbicas, por lo que se facilita la eliminación de materia orgánica mediante mecanismos aeróbicos, así como la oxidación de los compuestos nitrogenados, fomentando la formación de nitratos los cuales posteriormente son eliminados en las zonas anaerobias de la zona húmeda. De los estudios de caso se puede señalar varias conclusiones: La primera de ellas es que las zonas húmedas construidas son sistemas muy nobles que permiten una amplia variación en la carga del influente, tanto de carga hidráulica como de carga contaminante. Sin embargo, se debe asegurar una adecuada composición C/N (expresada como DQO/N-NO3) para que las bacterias logren realizar los procesos de nitrificación/ desnitrificación y asi eliminar el nitrógeno del agua. Otra de las conclusiones obtenidas al realizarse los estudios de caso, es que la alimentación interrumpida (con periodos de llenado y vaciado del mismo), mejora las condiciones de eliminación de materia orgánica, no así de la eliminación de nutrientes. Finalmente se detallan una serie de acciones a realizar por el gestor del humedal artificial, para llegar a mejorar la eficiencia y eficacia de las zonas húmedas construidas de flujo subsuperficial horizontal.
This study is mainly focused in the feeding effect for effectiveness and efficiency at horizontal subsurface flow constructed wetlands, for organic matter, nutrients and microorganism removal, from municipal wastewater. The main objective is to provide guides for the management of this type of wastewater treatment, commonly used at small communities (with less than 1000 inhabitants) To achieve this overall objective, the study was conducted in some pilots wetlands at the Montcada and Reixac´s WWTP (Barcelona, Spain), and also some test were carry on as case studies in other constructed wetlands. Four pilot wetlands were tested at the WWTP of Montcada andi Reixac. Two of these pilots were operating with vegetation cover (Phragmites australis), while the other two had not. Furthermore two pilot wetlands operated with continuous feeding, while the other two it performed fractionally but maintaining constant the hydraulic load in each one. The four case studies where take with different qualities of influent: two of them used the constructed wetland’s effluent, to improve the water quality of two rivers: the Besos´s river and the Ripoll´s river. The third case study was performed by using influent wastewater as a pigsty (with high values of organic matter, and nutrients). And the final case study was conducted in the Els Hostales de Pierola´s WWTP which allows the operation of its constructed wetland as a secondary or tertiary treatment. The study shows that fractional feeding improves the efficiency for organic matter and nutrients removal. Mainly, this is due to the aeration improving by the fractional feeding and by this way, is possible to increase the nitrification rate. So, the constructed wetlands allow the nitrification and the denitrification to take place and by this way nutrients (as nitrogen) can be removed. From the case studies several points can be indicated as main conclusions: The first is that constructed wetlands are very noble treatments systems, because they allow a wide variation in the influent load (by hydraulic and pollutant load). However, an appropriate C/N relation (expressed as COD/NNO3) had to achieve in order to increase bacteria perfom of nitrification/denitrification rates. By frequent interrupting feeding (with periods of filling and emptying of the wastewater), the constructed wetlands increase the organic matter removal, but not the nutrients removal.

Los procesos biológicos en una EDAR consisten en transformaciones bioquímicas que realizan los microorganismos durante su crecimiento. La modelación matemática de estos procesos de crecimiento es fundamental para el diseño, simulación y control óptimo de una EDAR. Habitualmente, el proceso de nitrificación era modelado como una única etapa en la que el amonio era oxidado a nitrato. Sin embargo, con el desarrollo de nuevas tecnologías y la aparición de problemas de acumulación de nitrito en algunas EDARs ha surgido la necesidad de considerar el nitrito como un nuevo componente en la modelación de los procesos biológicos. Esto ha llevado a la aparición de modelos en los que se divide el proceso de nitrificación en dos etapas. Aunque son varios los modelos de nitrificación en dos etapas propuestos, aun no hay un modelo ampliamente aceptado, apropiado para tratar las cuestiones mencionadas y proporcionar un rango de valores de parámetros fiable para reproducir adecuadamente las transformaciones del nitrito en los sistemas de fangos activos. Además, tampoco se ha definido una metodología de calibración para estos modelos que facilite la determinación de los valores de los parámetros incluidos en estos. Por ello, los objetivos generales de esta tesis son el desarrollo de un modelo general del proceso de nitrificación vía nitrito que considere tanto la oxidación de amonio a nitrito como del nitrito a nitrato y la metodología de calibración para los parámetros de las bacterias implicadas. Como se pretende validar el modelo en dos sistemas de operación con características completamente diferentes, un reactor SHARON a escala de laboratorio y una planta piloto de fangos activados, ha sido necesario el desarrollo de una metodología de calibración adaptada a cada uno de los sistemas. La metodología de calibración aplicada al reactor SHARON incluye únicamente la determinación de los valores de los parámetros correspondientes a las bacterias amonioxidantes (AOB).
Jiménez Douglas, E. (2010). Modelación matemática del proceso de nitrificación en dos etapas. Desarrollo de metodologías de calibración del modelo para un reactor SHARON y un proceso de fangos activados [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8499
Palancia

Nowadays, the main challenges in the wastewater treatment sector entail the need to advance in the control and optimization of the processes. New strategies and/or treatment systems are in continuous development, in order to decrease the operational costs and to compliance the energy efficiency and quality objectives of wastewater treatment plants (WWTPs). Therefore, it is increasingly necessary to deepen knowledge of the dynamic of the microbial populations in activated sludge, mainly protists, metazoans and filamentous bacteria. Many studies have attempted to relate protists and metazoans to physicochemical and operational variables of WWTPs in order to reveal their possible value as bioindicators. However, these studies have been mainly descriptive and/or exploratory, and moreover they have not focused on the environmental interpretation. Studies about the dynamics of filamentous bacteria population in activated sludge have mainly focused on the elucidation of the taxonomic position, in situ ecophysiology, presence and distribution, as well as strategies for controlling the populations. However, the published works about the biological process from the point of view of the environmental interpretation is still scarce. On the other hand, the environmental variables used to explain the variability of protists, metazoans and filamentous bacteria in activated sludge have been scarce and some of them are poorly explored. Taking into account the previous considerations, the general objective has been to elucidate the relationships between biological variables and physicochemical and operational variables in WWTPs. This has allowed to carried out an ecological interpretation of the processes that take place in the biological reactors, and to propose new tools for monitoring the process and the advance in the knowledge of those filamentous bacteria that cause problems in the treatment plants. To accomplishment the objectives, samples from activated sludge, influent and treated effluent were collected every fifteen days from six bioreactors belonging to four different WWTPs. Environmental and biological variables were independently explored according to bioreactor and seasonal factors, using multivariate non-parametric statistical routines. Subsequently, a dual approach (linear and unimodal) was applied to investigate models of environmental interpretation of biological variables, using distance-based linear models, as well as the canonical correspondence analysis. The results obtained indicate that the dynamics of protists and metazoans populations are influenced by season and bioreactor characteristics. Also, the factor that explain the dynamics of filamentous bacteria is the bioreactor factor. In this study we have proposed certain protists and metazoa as new bioindicators of the nitrification process. On the other hand, the exhaustive exploration of the environmental variables has determined the suitability of its categorization, as well as the study of the biological inertia of the operational variables, prior to the construction of the models. In addition, it is advisable that the ecological interpretation in each bioreactor will be more priority than their joint interpretation. The multivariate models constructed have provided relevant information about the relationships between protists and metazoans and some plant control variables, allowing their ecological interpretation and obtaining bioindicators for monitoring the biological process in active sludge. Finally, the results obtained on the identification and quantification of filamentous bacteria have verified that the results of the conventional microscopy are not comparable with those obtained from the FISH technique, except in the cases of Microthrix parvicella and GALO. In addition, the construction of models allows associating the filamentous bacteria to environmental ranges, obtaining valuable information to the knowledge of these dynamic populations.
En la actualidad, los principales retos en el sector del tratamiento de las aguas residuales implican la necesidad de avanzar en el control y optimización de los procesos, que permitan encontrar nuevas estrategias y/o nuevos sistemas de tratamiento para el ahorro de los costes de explotación y el cumplimiento de los objetivos de eficiencia energética y calidad en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Por todo ello, cada vez es más necesario el conocimiento de la dinámica de las poblaciones microbianas que componen la comunidad biológica del sistema, principalmente los protistas, metazoos y bacterias filamentosas. Numerosos estudios han intentado relacionar protistas y metazoos con variables fisicoquímicas y operacionales de las plantas para revelar su valor bioindicador, si bien estos han tenido un carácter principalmente descriptivo y/o exploratorio, y no de interpretación ambiental. Respecto al estudio de las poblaciones de bacterias filamentosas en fangos activos, a menudo relacionadas con episodios de bulking y foaming, estos se han centrado principalmente en el esclarecimiento de su posición taxonómica y ecofisiología in situ, presencia y distribución, así como en el estudio de las medidas para su control. Teniendo en cuenta las consideraciones anteriormente descritas, el objetivo general planteado en la presente tesis doctoral ha sido dilucidar las relaciones significativas entre variables biológicas y fisicoquímicas y operacionales en diversas plantas de fangos activos, lo cual nos ha permitido una interpretación ecológica de los procesos que tienen lugar en los reactores biológicos, proponiendo así nuevas herramientas para la monitorización del proceso y el avance en el conocimiento de aquellos microorganismos filamentosos que causan problemas en las instalaciones. Para el cumplimiento de los objetivos se tomaron, con una frecuencia quincenal y durante un año, muestras de fango activo, agua residual afluente y efluente tratado, procedentes de seis biorreactores de cuatro EDAR. Ambos conjuntos de variables, ambientales y biológicas, fueron explorados individualmente según los factores biorreactor y estacional, empleando rutinas estadísticas multivariantes no paramétricas. Posteriormente, se aplicó un doble enfoque (lineal y unimodal) para la búsqueda de modelos de interpretación ambiental de las variables biológicas. Los resultados obtenidos indican que la dinámica poblacional de protistas y metazoos se encuentra influida en muchos casos por ambos factores, estacional y biorreactor, siendo este último el que influye principalmente en la dinámica de las bacterias filamentosas. En el caso de protistas y metazoos, se han propuesto nuevos bioindicadores del proceso de nitrificación. Por otro lado, la exploración exhaustiva de las variables ambientales ha determinado la conveniencia de su categorización, así como el estudio de la inercia biológica de las variables operacionales, anterior a la construcción de los modelos. Además, recomendamos que la interpretación ecológica en cada uno de los biorreactores sea prioritaria a su interpretación conjunta. Los modelos construidos han aportado información relevante sobre las relaciones entre protistas y metazoos y algunas variables de control de planta, permitiendo su interpretación ecológica y la obtención de bioindicadores para la monitorización del proceso biológico en fangos activos. Por último, los resultados obtenidos sobre identificación y cuantificación de bacterias filamentosas nos han permitido constatar que los resultados de la microscopia convencional no son comparables con aquellos obtenidos a partir de la técnica FISH, excepto en los casos de Microthrix parvicella y GALO. Además, la construcción de modelos permite asociar las distintas bacterias filamentosas a diferentes rangos ambientales, obteniendo una información valiosa para el conocimiento de su dinámica poblacional.
En l'actualitat, els principals reptes en el sector del tractament de les aigües residuals impliquen la necessitat d'avançar en el control i optimització dels processos, que permeten trobar noves estratègies i/o nous sistemes de tractament per a l'estalvi dels costos d'explotació i el compliment dels objectius d'eficiència energètica i qualitat en les estacions depuradores d'aigües residuals (EDAR). Per tot això, cada vegada és més necessari el coneixement de la dinàmica de les poblacions microbianes que componen la comunitat biològica del sistema, principalment els protists, metazous i bacteris filamentosos. Nombrosos estudis han intentat relacionar protists i metazous amb variables fisicoquímiques i operacionals de les plantes per a revelar el seu valor bioindicador, si bé estos han tingut un caràcter principalment descriptiu i/o explorador, i no d'interpretació ambiental. Respecte a l'estudi de les poblacions de bacteris filamentosos en fangs actius, sovint relacionades amb episodis de bulking i foaming, estos s'han centrat principalment en l'esclariment de la seua posició taxonòmica i ecofisiologia in situ, presència i distribució, així com en l'estudi de les mesures per al seu control. Tenint en compte les consideracions anteriorment descrites, l'objectiu general plantejat ha sigut dilucidar les relacions significatives entre variables biològiques i fisicoquímiques i operacionals en diverses plantes de fangs actius, la qual cosa ens ha permés una interpretació ecològica dels processos que tenen lloc en els reactors biològics, proposant així noves ferramentes per a la monitorització del procés i l'avanç en el coneixement d'aquells microorganismes filamentosos que causen problemes en les instal·lacions. Per al compliment dels objectius es van prendre amb una freqüència quinzenal i durant un any, mostres de fang actiu, aigua residual afluent i efluent tractat, procedents de sis bioreactors de quatre EDAR. Ambdós conjunts de variables, ambientals i biològiques, van ser explorats individualment segons els factors bioreactor i estacional, emprant rutines estadístiques multivariants no paramètriques. Posteriorment, es va aplicar un doble enfocament (lineal i unimodal) per a la recerca de models d'interpretació ambiental de les variables biològiques, emprant models lineals basats en la distància, així com l'anàlisi de correspondències canònic. Els resultats obtinguts indiquen que la dinàmica poblacional de protists i metazous es troba influïda en molts casos per ambdós factors, estacional i bioreactor, sent aquest últim el que influïx principalment en la dinàmica dels bacteris filamentosos. En el cas de protists i metazous, s'han proposat nous bioindicadors del procés de nitrificació. D'altra banda, l'exploració exhaustiva de les variables ambientals ha determinat la conveniència de la seua categorització, així com l'estudi de la inèrcia biològica de les variables operacionals, prèvia a la construcció dels models. A més, recomanem que la interpretació ecològica en cada uns dels bioreactors siga prioritària a la seua interpretació conjunta. Els models construïts han aportat informació rellevant sobre les relacions entre protists i metazous i algunes variables de control de planta, permetent la seua interpretació ecològica i l'obtenció de bioindicadors per a la monitorització del procés biològic en fangs actius. Finalment, els resultats obtinguts sobre identificació i quantificació de bacteris filamentosos ens han permés constatar que els resultats de la microscopia convencional no són comparables amb aquells obtinguts a partir de la tècnica FISH excepte en els casos de Microthrix parvicella i Gordonia amarae like-organisms. A més, la construcció de models permet associar els distints bacteris filamentosos a diferents rangs ambientals, obtenint una informació valuosa per al coneixement de la seua dinàmica poblacional.
Zornoza Zornoza, AM. (2017). ESTUDIO DE LA DINÁMICA POBLACIONAL DE PROTISTAS, METAZOOS Y BACTERIAS FILAMENTOSAS Y SU INTERPRETACIÓN ECOLÓGICA EN FANGOS ACTIVOS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/78839
TESIS

A nivel legislativo, la Directiva 2000/60/EC del Parlamento Europeo y el Consejo de Europa establece un marco comunitario de acción en el ámbito de la política del agua, y en cuanto a depuración de agua se refiere, la Directiva 91/271/EC establece los límites de vertido de contaminantes procedentes de las estaciones de depuración de agua residual (EDAR), e introduce el concepto de zonas sensibles, en el que se establece la importancia de eliminar nutrientes, especialmente nitrógeno y fósforo, de las aguas residuales, en vista de su impacto negativo sobre los ecosistemas acuáticos. Diversos estudios han puesto de manifiesto la posibilidad de optimizar el funcionamiento de las EDAR mediante el empleo de procesos que permitan eliminar el nitrógeno amoniacal vía nitrito de corrientes de agua residual con elevada concentración de amonio. El objetivo principal de este trabajo de tesis doctoral ha sido el estudio a escala de laboratorio del proceso de eliminación de nitrógeno vía nitrito, para eliminar el amonio de la corriente del sobrenadante procedente de la deshidratación de fangos estabilizados mediante digestión anaerobia. Inicialmente, se estudiaron diversas estrategias para la puesta en marcha del proceso SHARON operado para la nitritación parcial. Tras alcanzar un funcionamiento estable del proceso se estudió el efecto de diversos factores ambientales y de operación sobre los organismos amonioxidantes (AOB) y la calidad del efluente, respectivamente. Por otro lado, a partir del análisis de la información aportada por los sensores de pH, potencial redox y oxígeno disuelto instalados en el reactor, y su relación con las concentraciones de los compuestos nitrogenados, determinados durante las etapas de puesta en marcha y seguimiento del proceso biológico de nitrificación y desnitrificación vía nitrito, se desarrolló una estrategia de monitorización, en donde se establecieron los criterios de funcionamiento óptimo del proceso. Esta información fue empleada para d
Claros Bedoya, JA. (2012). ESTUDIO DEL PROCESO DE NITRIFICACIÓN Y DESNITRIFICACIÓN VÍA NITRITO PARA EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE CORRIENTES DE AGUA RESIDUAL CON ALTA CARGA DE NITRÓGENO AMONIACAL [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17653
Palancia

Tesis para obtener el grado de Doctor en Ciencias del Agua
En pro de optimizar la actividad acuícola, es necesario desarrollar y aplicar innovaciones tecnologías en los sistemas de recirculación que se utilizan, para lo cual se requiere de realizar evaluaciones metódicas que permitan generar productos que deriven en desarrollos tecnológicos transformadores. Con base a lo anterior, durante este estudio, se evaluó la eficiencia de un medio filtrante, a partir de un diseño de tipo fractal que se incorporó como componente principal en una plataforma de percolación y como parte del tren de tratamiento para agua residual proveniente de un sistema acuícola. La incorporación del medio filtrante (UAEMex-1) permitió evaluar el desempeño de este modelo, a partir de la determinación de la tasa de conversión volumétrica y la eficiencia al remover nitrógeno amoniacal total (NAT). La evaluación de la remoción del NAT a partir del medio filtrante UAEMex-1 se consideró como uno de los objetivos del estudio, debido a su importancia biológica como producto principal del metabolismo de los organismos acuícolas. Para lograr este objetivo se ocupó el medio filtrante UAEMex-1, mismo que se diseñó y desarrollo en la Universidad Autónoma del Estado de México; este medio filtrante funciona como superficie de adhesión para las bacterias nitrificantes y gracias a su diseño, el área de superficie del mismo coadyuva a un alto desempeño en la remoción del NAT. El diseño de este medio, es de tipo fractal, brindándole propiedades de superficie específica superiores a las de los medios filtrantes que se encuentran en el mercado; los cuales se desarrollaron con base en la geometría euclidiana. Esta investigación se efectuó en condiciones de laboratorio un experimento con una duración de 120 días. Se evaluaron tres tratamientos con cargas de NAT distintas, con tres alturas de empaque diferentes. Para cada tratamiento se construyeron tres cilindros que emularon biofiltros percoladores. Para cada tratamiento se evaluaron parámetros de calidad de agua (O2, temperatura, pH, SST, NAT, N-NO2-, N-NO3-, Alcalinidad, DBO5). En los filtros percoladores se colocó el medio filtrante UAEMex-1 a distintas alturas entre ellos (2.5, 5 y 7.5 cm correspondientemente para cada uno). Cada tratamiento se alimentó con agua preparada de manera sintética la cual tuvo una concentración de 0.6, 1.0 y 1.6 mg/L de cloruro de amonio, para cada tratamiento; esto para emular los distintos escenarios tróficos que se pueden presentar en un cultivo acuícola. En este estudio se hizo uso de un balance de masas, para la etapa metodológica de evaluación de desempeño. Lo que ayudó a conocer la carga que puede soportar este medio filtrante en diferentes niveles tróficos por medio de Tasa de Conversión Volumétrica de NAT (TCVNAT) y la eficiencia de remoción de NAT en las condiciones en las que el presente estudio se realizó. Con los datos que se obtuvieron de los muestreos y mediante un análisis estadístico (ANOVA) se observó la eficiencia con respecto a la remoción de NAT del medio filtrante UAEMex-1, sin encontrar diferencia significativa entre las áreas propuestas (p > 0.001). El porcentaje de eficiencia para la remoción de NAT que se logró en este estudio fue de 44.5% ± 6.01 en promedio. Los resultados que se obtuvieron tras la evaluación de la Tasa de Conversión Volumétrica de NAT (TCVNAT). Oligotrófico (O): O 2.5 48.04±22.79 (g/m3d), O 5 24.34±11.75 (g/m3d), O 7.515.52±8.11 (g/m3d); Mesotrófico (M): M 2.5 99.08±62.31 (g/m3d), M 5 55.09±28.48 (g/m3d), M 7.5 35.99±18.59 (g/m3d); Eutrófico (E): E 2.5 103.46±56.33 (g/m3d), E 5 67.20±50.22 (g/m3d), E 7.5 41.91±28.89 (g/m3d). Mostraron diferencia significativa (p < 0.05) en los tratamientos con respecto a la TCVNAT y la altura del empaque propuesta. Con respecto a los resultados que estudios homólogos arrojan al evaluar distintos tipos de medios, lo observado en el presente califica entre eficiente y muy eficiente el desempeño del medio filtrante UAEMex-1 como componente esencial en una plataforma de percolación para agua residual en las condiciones que imperaron en este estudio. Sin embargo se observó que este medio tuvo una mejor eficiencia en el escenario mesotrófico lo que permite plantear nuevas interrogantes en el tema.

The main goal of this PhD thesis was the study of the ammonium oxidation process in high nutrient loaded urban streams. We aimed to unveil regulating factors and driving mechanisms from the organisms to the ecosystem scales using a combined biogeochemistry-microbial ecology approach. Ammonia oxidization is the first and rate-limiting step of nitrification. Nitrification is the key process linking nitrogen (N) inputs (fixation, mineralization) and losses (denitrification, anamox) in the aquatic ecosystem. Ammonia oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB) drive this process through the enzyme ammonia monooxygenase. Although sharing a common function, AOB and AOA are phylogenetically distinct, suggesting different evolution and phenotypic characteristics. AOA and AOB were detected in the stream biofilms. The abundance, community composition and distribution of these microbial components were driven by environmental physical and chemical conditions, mainly ammonia (NH4) concentrations and sun irradiance. Ammonia oxidizing activity in biofilms under low NH4 availability was low and only 2 % of the inorganic NH4 was nitrified. Under these conditions AOA dominated ammonia oxidizing community and were key players of the observed ammonia oxidation (Nitrososophaera cluster). Conversely, under high NH4 load in the stream up to 100 % of the inorganic NH4 was oxidized to nitrate (NO3). Such high ammonia oxidizing activity was mostly driven by AOB (Nitrosospira and N. oligotropha clusters). Under these conditions AOB outnumbered AOA by orders of magnitude. AOA in contrast were poorly active under high NH4 concentrations and a consistent community composition shift was observed between high and low NH4 conditions. In laboratory cultures the growth of AOA and AOB was immediately inhibited by light. In particular, at lower light intensities, archaeal growth was much more photosensitive than bacterial growth and unlike AOB, AOA showed no evidence of recovery during dark phases. These findings provide evidence for niche differentiation in aquatic environments and suggested light as a main driving factor for the distribution and activity of ammonia oxidizers in the aquatic environment. Accordingly, in early stage biofilms developing on streams cobbles the percentage of ammonia oxidizers was higher in darkness (i.e., sediment facing side or dark-side biofilms) than in biofilms grown on the upper, light exposed side of the cobbles (light-side biofilm). However, this spatial segregation was missed in mature biofilms suggesting that the complex microbial structure present in light-side biofilms may protect both AOA and AOB against photoinhibition. This finding was further confirmed by a significant relationship found between light-side biofilm biomass and the abundance of ammonia oxidizers in situ. In contrast, for dark-side biofilms the relationship was missed. Therefore, irradiance was not an inhibitory factor for AOA and AOB in mature light-side biofilms probably due to an “umbrella effect”. The umbrella effect and the fact that AOA and AOB were highly abundant in the sediment (light avoiding strategy) are probably the reasons why nitrification at the ecosystem scale was independent from both light intensity and dial light cycling. Altogether these results highly contributed to improve the current knowledge on nitrification in urban streams and provided insights on niche differentiation between AOA and AOB.
El objetivo de esta tesis ha sido el estudio de los mecanismos y factores reguladores del proceso microbiano de oxidación del amonio (NH4) en ríos urbanos afectados por vertidos de depuradoras. Arqueas (AOA) y bacterias (AOB) oxidadoras de amonio (OA) fueron detectadas en comunidades microbianas (biofilms) desarrolladas sobre los cantos rodados del río. Su abundancia, composición, distribución y actividad fueron examinadas, con técnicas de ecología microbiana molecular y de biogeoquímica fluvial, en estudios realizados con cultivos, microcosmos e in situ. Tanto la concentración natural de amonio (NH4) como la radiación solar fueron factores clave en la regulación de dichos parámetros de los AO. En condiciones ambientales de baja concentración de NH4, las AOA (cluster Nitrososophaera) dominaron la comunidad de OA, mostrando una baja actividad nitifricante. Bajo altas concentraciones de NH4, las AOB eran dominantes (clusters Nitrosospira y N. oligotropha) y mostraban una alta actividad. En cultivos monoespecíficos, el crecimiento de AOA y AOB fue inmediatamente inhibido por luz. Las AOA mostraron una mayor fotosensibilidad y una menor capacidad de recuperación que las AOB. Estos hallazgos sugerían que la luz podría ser un factor determinante en la distribución y actividad de OA en ecosistemas naturales. En concordancia, en biofilms naturales incipientes se observó mayor preferencia de las OA para colonizar las superficies orientadas hacia el sedimento que para colonizar superficies orientadas hacia la luz solar. Esta segregación espacial no se observó en biofilms maduros. Además, se observó una relación significativa entre biomasa total y abundancia de OA para los biofilms del lado luminoso pero no para los del lado oscuro. Este hecho sugiere la existencia de un efecto fotoprotector in situ (efecto “sombra”). Este efecto podría explicar porque la nitrificación medida a nivel de tramo fluvial fue independiente de la intensidad de la luz y del ciclo solar diario. Las poblaciones de OA fueron también abundantes en el sedimento. Sin embargo, la partición de la contribución de sedimento y biofilms a la nitrificación de un tramo fluvial desveló un papel proporcional preponderante de las poblaciones de OA que se desarrollan en biofilms protegidos de la luz.

[ES] Las estaciones depuradoras de aguas (EDAR) tienen un papel fundamental en la protección del medio ambiente, evitan la llegada de nutrientes (nitrógeno y fósforo) y otros contaminantes a los ecosistemas acuáticos. El sistema más utilizado para la eliminación de nitrógeno en las EDAR es el proceso biológico de nitrificación-desnitrificación vía nitrato. El rendimiento de los sistemas biológicos está directamente relacionado con la estructura de la comunidad bacteriana y su metabolismo. En este trabajo se monitorizaron las variaciones temporales de las características fisicoquímicas del afluente, los parámetros operacionales y los rendimientos de eliminación del amonio en 6 reactores biológicos con sistemas de fangos activos. Para la caracterización de comunidades involucradas en el proceso de nitrificación se utilizaron diferentes técnicas de biología molecular: hibridación in situ con sondas marcadas con fluoróforos (FISH), secuenciación de segunda generación Illumina y secuenciación de tercera generación SMRT de PacBio, la cual no había sido utilizada hasta la fecha para el análisis de la microbiota de sistemas convencionales de eliminación de nutrientes. Para valorar la actividad de la biomasa nitrificante y de la biomasa heterótrofa se utilizaron técnicas respirométricas y técnicas para la cuantificación del ATP de última generación. Para analizar el gran volumen de datos generado tras la aplicación de las diferentes técnicas, se utilizaron técnicas estadísticas de análisis multivariante, como los modelos de regresión lineal multivariante basados en la distancia (DISTLM). Estas técnicas estadísticas permitieron valorar la contribución de las variables ambientales a la variabilidad observada en la estructura de las comunidades de bacterias nitrificantes, los rendimientos de eliminación del nitrógeno y su actividad. Las técnicas moleculares empleadas permitieron determinar que Nitrosomonas oligotropha, Nitrospira spp. y Nitrotoga sp. fueron las especies responsable de los procesos de nitrificación en las EDAR analizadas. Los resultados alcanzados con las técnicas FISH e Illumina sobre la estructura de la población de bacterias nitrificantes fueron similares, y permitieron detectar los sesgos de la secuenciación SMRT de PacBio. Los modelos de regresión permitieron valorar la contribución de las bacterias nitrificantes a la eliminación del amonio y cuáles fueron los factores que influían en su abundancia en cada una de las EDAR. La carga orgánica, la concentración de sólidos volátiles, la concentración de oxígeno y la temperatura fueron las variables de mayor influencia en la abundancia de estas especies. Mientras que la carga de fósforo influenció significativamente en su actividad. Este estudio reveló que la aplicación de ozono disminuye significativamente a los rendimientos de eliminación del amonio. Los resultados obtenidos ayudaron a mejorar la comprensión sobre el proceso de nitrificación en cada una de las EDAR y manifiestan la importancia de la dinámica poblacional de las bacterias nitrificantes en los rendimientos de eliminación del amonio en las EDAR. Estos resultados establecen que las técnicas moleculares combinadas con respirometría y los modelos de ordenación multivariante empleados en esta tesis, son una herramienta fiable para la monitorización y el control del proceso de nitrificación en sistemas de eliminación biológica de nitrógeno. Los resultados de esta tesis sugieren que la medida de los sólidos suspendidos volátiles activos mediante técnicas de determinación de ATP de segunda generación puede mejorar el cálculo de las variables de diseño y control más habituales de las EDAR.
[CAT] Les estacions depuradores d'aigües residuals (EDAR) tenen un paper fonamental en la protecció del medi ambient, eviten l'arribada de nutrients (nitrogen i fòsfor) i altres substàncies contaminants als ecosistemes aquàtics. El sistema més utilitzat per a l'eliminació de nitrogen en les EDAR és el procés biològic de nitrificació-desnitrificació via nitrat. El rendiment dels sistemes biològics està directament relacionat amb l'estructura de la comunitat bacteriana i el seu metabolisme. En aquest treball es van monitorar les variacions temporals de les característiques fisicoquímiques de l'afluent, els paràmetres operacionals i els rendiments d'eliminació de l'amoni en 6 reactors biològics amb sistemes de fangs actius. Per a caracteritzar les comunitats involucrades en el procés de nitrificació s'han utilitzat diferents tècniques de biologia molecular: hibridació in situ amb sondes marcades amb fluoròfors (FISH), seqüenciació de segona generació Illumina i seqüenciació de tercera generació SMRT de PacBio, la qual no havia estat utilitzada fins avui per a l'anàlisi de la microbiota dels sistemes convencionals d'eliminació de nutrients. Per a valorar l'activitat de la biomassa nitrificant i de la biomassa heteròtrofa es van utilitzar tècniques respiromètriques i tècniques per a la quantificació de l'ATP d'última generació. Per a analitzar el gran volum de dades generat després de l'aplicació de les diferents tècniques, es van utilitzar tècniques estadístiques d'anàlisi multivariant, com els models de regressió lineal multivariant basats en la distància (DISTLM). Aquestes tècniques estadístiques van permetre valorar la contribució de les variables ambientals a la variabilitat observada en l'estructura de les comunitats de bacteris nitrificants, els rendiments d'eliminació del nitrogen i la seua activitat. Les tècniques moleculars emprades van permetre determinar que Nitrosomonas oligotropha, Nitrospira spp. i Nitrotoga sp resultaren les espècies responsables del procés de nitrificació en les EDAR analitzades. Les tècniques FISH i Illumnina van mostrar resultats molt similars sobre l'estructura de la població de bacteris nitrificants i van permetre detectar els biaixos de la seqüenciació SMRT de PacBio. Els models de regressió van permetre valorar la contribució dels bacteris nitrificants a l'eliminació de l'amoni i quins van ser els factors d'influència en la seua abundància en cadascuna de les EDAR. La concentració de matèria orgànica, sòlids volàtils en suspensió, la concentració d 'oxigen i la temperatura foren les variables amb més influència en l'abundància d'aquestes especies. Així mateix la càrrega de fòsfor va influir en la seua activitat. Aquest estudi va determinar que l 'aplicació ozó va causar una disminució significativa dels rendiments d 'eliminació del amoni. Aquests models van ajudar a millorar la comprensió sobre el procés de nitrificació en cadascuna de les EDAR i ressalten la importància de la dinàmica poblacional dels bacteris nitrificants en el rendiments de l 'eliminació de l 'amoni. Els resultats estableixen que les tècniques moleculars combinades amb respirometría i els models d'ordenació multivariant emprats en aquesta tesi, són una eina fiable per al monitoratge i el control del procés de nitrificació en sistemes d'eliminació biològica de nitrogen. Els resultats d'aquesta tesi suggereixen que la mesura dels sòlids suspesos volàtils actius mitjançant tècniques de determinació d'ATP de segona generació pot millorar el càlcul de les variables de disseny i control més habituals de les EDAR.
[EN] Wastewater treatment plants play an important role in environmental protection. These facilities protect aquatic ecosystems from excessive inputs of nutrients (nitrogen and phosphorous) and other pollutants. The most widespread system of nitrogen removal in wastewater treatment plants is a conventional method involving a biological nitrification-denitrification via nitrate. The efficiency of biological systems is directly related to bacterial community structure and its metabolism. In this work, the temporal variations of influent characteristics, operational parameters and ammonium removal efficiency in 6 bioreactors with activated sludge systems were monitored. To characterize the microbial communities involved in the nitrification process different molecular biology techniques were used: fluorescence in situ hybridization (FISH); second generation sequencing (Illumina), and third generation sequencing (SMRT PacBio). To assess the activity of nitrifying and heterotrophic bacteria, respirometric tests and second-generation ATP determination techniques were used. To analyse the large volume of data generated, statistical multivariate analysis techniques were used, including distance-based multivariate linear regression models (DISTLM). These statistical techniques allowed us to assess the contribution of environmental variables to the variability observed in the nitrifying community structure, in nitrogen removal performance and nitrifying activity. The molecular techniques employed determined that Nitrosomonas oligotropha, Nitrospira spp. and Nitrotoga sp. where the dominant nitrifying bacteria in the monitored WWTP. FISH and Illumnina technique showed very similar results and allowed for the detection of biases in PacBio SMRT sequencing. The regression models determined the contribution of nitrifying bacteria to ammonium oxidation and the factors influencing their abundance and activity. The main factors influencing the nitrifying bacteria abundance were organic load, volatile suspended solids concentration, dissolved oxygen and temperature. The activity of nitrifying bacteria also was influenced by phosphorous loading rate. This study revealed that ozone concentration was the main factor determining the low ammonium removal performance. These models helped to improve our understanding of the nitrification process in each WWTP and highlight the importance of nitrifying bacterial community structure in nitrogen removal performance. The results establish that the molecular techniques combined with respirometry and the multivariate ordering models used in this thesis, are a reliable tool for the monitoring and control of the nitrification process. The results of this thesis suggest that the measurement of active volatile suspended solids by means of second- generation ATP determination techniques can improve calculation of the most common design and control parameters of WWTPs.
A la Entidad de Saneamiento y Depuración de la Región de Murcia (ESAMUR) por la financiación del proyecto “Influencia de las variables operacionales y fisicoquímicas en la dinámica y estructura de la población de bacterias nitrificantes”, al Grupo de Química y Microbiología del Agua del IIAMA. A la Entidad Pública de Saneamiento de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana (EPSAR), por la financiación del proyecto “Estudio integrado del proceso biológico en plantas de tratamiento por fangos activos, análisis de interrelación entre los distintos componentes y optimización de métodos moleculares para la identificación de bacterias formadoras de espumas” al Grupo de Química y Microbiología del Agua del IIAMA
Barbarroja Ortiz, P. (2019). Estudio de la dinámica poblacional y actividad de los organismos nitrificantes en sistemas de depuración de aguas residuales [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124063
TESIS

Due to the recent approval of the Best Available Techniques Reference Document for Wastewater Treatment in the Chemical Sector (Decision (UE) 2016/902), the European industry is urged to improve the wastewater treatments, in order to attain more stringent regulations. Particularly, petrochemical activated sludge systems focused on organic matter removal must face two frequent issues, which difficult sludge settling: i) Development of filamentous bulking due to low food-to-microorganism (F/M) ratio in the biological reactor ii) Unintended biological nitrification, which leads to denitrification in the clarifier. These tendencies were confirmed in a pilot petrochemical continuous stirred tank reactor (500 L), where sludge volumetric index (SVI) values of 350 mL g-1 were obtained. Nitrification was studied with an experimental petrochemical bench-scale bioreactor (1L), which provided concentrations up to 350 mg NOx--N L-1. To overcome the filamentous bulking, a one-compartment selector was implemented in the pilot activated sludge system. The selector could be operated as anoxic or aerobic. Both configurations succeeded to solve the excessive proliferation of filaments with average SVI values below 75 mL g-1, provided dissolved oxygen concentrations higher than 2 mg L-1 were guaranteed in the main reactor. However, the aerobic selector showed the more robust and consistent performance, aiming to its full-scale implementation. Its optimum design parameters were determined at hydraulic retention time of 30 minutes and F/M of 35 g sCOD g-1 VSS d-1. Its performance improved with the biodegradability of the wastewaters supplied in the range of 10 to 50 g BOD g-1VSS d-1. Otherwise, the selector was unable to enhance sludge settling when being provided with high concentrations of particulate matter (up from 65 g tCOD g-1 VSS d-1). Nevertheless, the inclusion of the aerobic selector doubled the nitrification rates in the activated sludge system. Since conventional methodologies to limit nitrification may not be convenient for existing installations due to process or site constraints, a new strategy has been bench-scale developed. Two petrochemical bioreactors have been supplied with cost-effective concentrations of 0.4 and 0.9 mg g-1VSS d-1 of folic acid in comparison to a control. Afterwards, the vitamin supply has been stopped in order to assess about habituation effects. Despite both doses have succeeded to control nitrification, the addition of folic acid has also affected the operational parameters of the biological system. The supply of the lower vitamin concentration provided a reduction on nitrification rates of 93.6% and improved the sludge volumetric index compared to control (17.4 in front of 67.3 mL g-1). However, its full-scale feasibility is conditioned to the availability of spare aeration capacity, since oxygen demand increased 85.7%, probably due to an older sludge age (71.4% reduction in observed sludge yield). Reductions up to 97.1% in nitrification rates were obtained during and 60 days after the dosage of the higher vitamin concentration. Despite other advantages, such as increasing the organic matter removal efficiency (60.0%) and reducing oxygen demand (14.7%) relative to control, the high dosed reactor exhibited a worse sludge settling (93.1 mL g-1) and more sludge production (57.1% increase in observed sludge yield). These results suggest new dosing alternatives, such as supplying a discontinuous folic acid concentration of 0.9 mg g-1VSS d-1. To conclude, this manuscript provides industrial engineers with guidelines to upgrade their existing wastewater treatments. Although the experimentation has been conducted with petrochemical effluents, the methodology and conclusions could be extrapolated to other industrial sectors with similar characterization of wastewater. With regard to future steps, this research sets the basis for the development of the action mechanism for nitrogen heterocyclic compounds, as nitrification inhibitors, which is of interest for the wastewater and the agricultural field.
Con la aprobación de la nueva versión del BREF de aguas residuales, la industria química europea está obligada a mejorar sus procesos de tratamiento de agua para adaptarse a especificaciones de vertido más restrictivas. Particularmente, los sistemas de fangos activos petroquímicos focalizados en la degradación de materia orgánica deben afrontar dos limitaciones frecuentes que dificultan la decantación del lodo: fuerte tendencia al bulking filamentoso por baja razón alimento-biomasa (F/M) y nitrificación biológica no deseada. Ensayos piloto con efluentes petroquímicos han demostrado que la inclusión de un selector aerobio en el sistema de fangos activos permite superar el bulking filamentoso, obteniendo siempre valores de índice volumétrico de fangos inferiores a 75 mL g-1. Los parámetros de diseño óptimos para el selector son un tiempo de residencia de 30 minutos y una razón F/M de 35 g DQO g-1 VSS d-1. Se debe alimentar al selector los efluentes más biodegradables y con el mínimo contenido en materia orgánica particulada. Sin embargo, con la implementación del selector, la nitrificación se ha duplicado. Puesto que las técnicas convencionales de control de nitrificación no resultan adecuadas por limitaciones de proceso y de implementación, se ha desarrollado como alternativa, la dosificación de ácido fólico al reactor biológico. En ensayos de laboratorio con un reactor petroquímico, dosis continuas de 0,4 y 0,9 g g-1 VSS d-1 de vitamina han permitido limitar la nitrificación a concentraciones inferiores a 10 mg NOx—N L-1 sin aportar toxicidad al efluente. La alta concentración, incluso ha mantenido este efecto hasta 60 días después de cortar la dosificación de vitamina. Sin embargo, el ácido fólico ha modificado los parámetros operativos del sistema biológico. La concentración baja ha aumentado el consumo de oxígeno (85,7%). La concentración alta ha aumentado la eficiencia en degradación de materia orgánica (60,0%), la producción de biomasa (57,1%) y ha empeorado la decantación del lodo (93±29 mL g-1). Estos resultados aconsejan ensayar otras estrategias posológicas, tales como dosis discontinuas de 0,9 g g-1 VSS d-1. Esta investigación proporciona las bases para un desarrollo futuro del mecanismo de acción de las moléculas heterocíclicas nitrogenadas, como inhibidores de la nitrificación.