Dissertations / Theses on the topic 'Nitrificación'

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.

Constructed wetlands (CWs) are anthropically designed systems to improve and optimize certain physical and biochemical processes that occur in the ecosystems of natural wetlands with the main objective of removing pollutants from the water. This technology, which usually has been used for the treatment of urban wastewater, is being recently applied for treating a great variety of flows, including eutrophic water. Treatment efficiency of these systems depends on the interrelation of a great variety of processes and factors that hinder the establishment of simple principles for its design and/or exploitation. Therefore, mathematical models are useful tools to increase the knowledge about this technology and to optimize their design and management. During the last decades, a remarkable advance has been produced in the modelling of CWs, especially subsurface flow systems. However, an equivalent level of development has not been reached in the modelling of surface flow systems. In this type of CWs, where there is not a porous medium through which the water to be treated circulates, the influence of environmental factors such as wind or avifauna, and the interaction with the layer of sediment can be more intense. Therefore, it is necessary having models applicable to this type of CWs which facilitate the representation of this particular casuistry. In this PhD Dissertation a mechanistic biokinetic model for the treatment of eutrophic water in free water surface constructed wetlands has been developed. The structure of the Activated Sludge Model (ASM) has been used to represent the processes that affect to the main variables of water quality in eutrophic systems, i.e., suspended solids, phytoplankton, different forms of nitrogen and phosphorus and matter organic. The model has been implemented in the software AQUASIM and has been calibrated and validated in two real systems that treated hypertrophic water from Lake l¿Albufera (Valencia) for three years. One of the most remarkable contributions of this model is the ability for simulating the operation conditions of full-scale systems, i.e., for reproducing the interactions that occur between the free water surface constructed wetland and the environment where it is integrated. A novel contribution of this model is the capacity for simulating the effects produced by the activity of the avifauna and by the action of the wind speed in the resuspension of sediments. Another important contribution is the quantification of the effect of the processes involved in the cycles of each variable. This has been able to determine the importance of resuspension in the removal of suspended solids, especially that caused by the action of the wind. Likewise, vegetation cover has been demonstrated to be an easy to monitor and valid parameter for the simulation of the effect of emerging macrophytes in water quality in surface flow CWs, in both sedimentation and resuspension processes, as well as in nutrients uptake. On the other hand, this research has allowed extend the knowledge about the immobility of microorganisms in surface flow CWs. It has also been proven that high vegetation covers as well as harvesting of emerging macrophytes are crucial factors in nutrients removal in this type of systems.
Los humedales artificiales (HHAA) son sistemas diseñados antrópicamente para mejorar y optimizar ciertos procesos físicos y bioquímicos que ocurren en los ecosistemas de los humedales naturales con el objetivo principal de eliminar contaminantes del agua. Esta tecnología, que habitualmente se ha utilizado para la depuración de aguas residuales urbanas, se está aplicando recientemente en el tratamiento de una gran variedad de corrientes, entre ellas las aguas eutróficas. La eficiencia de tratamiento de estos sistemas depende de la interrelación de una gran variedad de procesos y factores que dificultan el establecimiento de principios simples para su diseño y/o explotación. Por ello, los modelos matemáticos son una herramienta útil para aumentar el conocimiento sobre esta tecnología y para optimizar su diseño y gestión. Durante las últimas décadas se ha producido un avance notable en la modelación de los HHAA, especialmente en los sistemas de flujo subsuperficial. Sin embargo, no se ha alcanzado un nivel de desarrollo equivalente en la modelación de los sistemas de flujo superficial. En esta tipología de HHAA, donde no existe un medio poroso a través del cual circula el agua a tratar, la influencia de factores ambientales como el viento o la avifauna y la interacción con la capa de sedimentos puede ser más intensa. Por lo tanto, resulta necesario disponer de modelos aplicables a este tipo de HHAA que permitan representar esta casuística particular. En esta Tesis Doctoral se ha desarrollo un modelo mecanicista biocinético para el tratamiento de aguas eutróficas mediante humedales artificiales de flujo superficial. Se ha utilizado la estructura de los modelos Activated Sludge Model (ASM) para representar los procesos que afectan a las principales variables de calidad de aguas eutróficas, es decir, los sólidos en suspensión, el fitoplancton, las distintas formas de nitrógeno y fósforo y la materia orgánica. El modelo se ha implementado en el software AQUASIM y ha sido calibrado y validado en dos sistemas reales que han tratado durante tres años las aguas hipereutróficas del lago de l¿Albufera (València). Una de las contribuciones más destacables de este modelo es la capacidad para simular las condiciones de funcionamiento de los sistemas a escala real, es decir, para reproducir las interacciones que se producen entre el humedal artificial de flujo superficial y el medio en el que se integra. Una aportación novedosa de este modelo es la capacidad para simular los efectos producidos por la actividad de la avifauna y por la acción de la velocidad del viento en la resuspensión de los sedimentos. Otra aportación importante es la cuantificación del efecto de los procesos que intervienen en los ciclos de cada variable. Con ello se ha podido determinar la importancia de la resuspensión en la eliminación de los sólidos en suspensión, especialmente de la provocada por la acción del viento. Así mismo, se ha demostrado la aplicabilidad del grado de cobertura vegetal como un parámetro de fácil monitorización y válido para la simulación del efecto de las macrófitas emergentes en la calidad de las aguas en los HHAA de flujo superficial, tanto en los procesos de sedimentación y resuspensión del material particulado como en la toma de nutrientes. Por otra parte, esta investigación ha permitido ampliar el conocimiento sobre la inmovilidad de los microorganismos en los HHAA de flujo superficial. También se ha comprobado que un buen grado de cobertura vegetal, así como el cosechado de las macrófitas emergentes, son factores cruciales en la eliminación de nutrientes en este tipo de sistemas.
Els aiguamolls construïts (AACC) són sistemes antròpicament dissenyats per a millorar i optimitzar determinats processos físics i bioquímics que es produeixen en els ecosistemes de les zones humides naturals amb l'objectiu d'eliminar els contaminants de l'aigua. Aquesta tecnologia, que normalment s'ha utilitzat per al tractament d'aigües residuals urbanes, s'està aplicant recentment al tractament de diversos fluxos, com les aigües eutròfiques. L'eficàcia del tractament d'aquests sistemes depèn de la interrelació d'una gran varietat de processos i factors que dificulten l'establiment de principis simples per al seu disseny i/o explotació. Per això, els models matemàtics són una eina útil per a augmentar els coneixements sobre aquesta tecnologia i per a optimitzar el seu disseny i la gestió. Durant les últimes dècades s'ha produït un avanç notable en la modelització d'els AACC, especialment en els sistemes de flux subsuperficial. No obstant això, no s'ha assolit un nivell de desenvolupament equivalent en la modelització de sistemes de flux superficial. En aquesta tipologia d'AACC, on no existeix un medi porós a través del qual circula l'aigua a tractar, la influència de factors ambientals com el vent o les aus i la interacció amb la capa de sediments pot ser més intensa. Per tant, resulta necessari disposar de models aplicables a aquest tipus d'AACC que permeten representar aquesta casuística particular. En aquesta Tesi Doctoral s'ha desenvolupat un model mecanicista biocinètic per al tractament d'aigües eutròfiques mitjançant aiguamolls artificials de flux superficial. S'ha utilitzat l'estructura dels models Activated Sludge Model (ASM) per a representar els processos que afecten les principals variables de la qualitat de les aigües eutròfiques, és a dir, els sòlids en suspensió, el fitoplàncton, les diverses formes de nitrogen i fòsfor i la matèria orgànica. El model s'ha implementat en el software AQUASIM i ha estat calibrat i validat en dos sistemes reals que han tractat durant tres anys les aigües hipereutròfiques del llac de l¿Albufera (València). Una de les aportacions més remarcables d'aquest model és la capacitat per a simular les condicions de funcionament dels sistemes a escala real, és a dir, per a reproduir les interaccions que es produeixen entre l'aiguamoll artificial de flux superficial i el medi en el qual està integrat. Una aportació novedosa d'aquest model és la capacitat per a simular els efectes produïts per l'activitat de l'avifauna i per l'acció de la velocitat del vent en la resuspensió de sediments. Una altra aportació important és la quantificació de l'efecte dels processos implicats en els cicles de cada variable. Amb açò s'ha pogut determinar la importància de la resuspensió en l'eliminació dels sòlids en suspensió, especialment de la provocada per l'acció del vent. Així mateix, s'ha demostrat l'aplicabilitat del grau de cobertura vegetal com a un paràmetre de fácil monitorització i vàlid per a la simulació de l'efecte dels macròfits emergents en la qualitat de les aigües en els AACC de flux superficial, tant en els processos de sedimentació i resuspensió del material particulat com en la presa de nutrients. D'altra banda, aquesta recerca ha permès ampliar el coneixement sobre la immobilitat d'els microorganismes en els AACC de flux superficial. També s'ha comprovat que un bon grau de cobertura vegetal, així com la sega dels macròfits emergents, són factors clau en l'eliminació de nutrients en aquest tipus de sistemes.
Gargallo Bellés, S. (2017). MODELACIÓN DE LA CALIDAD DE LAS AGUAS EN LOS HUMEDALES ARTIFICIALES DE FLUJO SUPERFICIAL (HAFS). APLICACIÓN A LOS HAFS DEL TANCAT DE LA PIPA EN L'ALBUFERA DE VALENCIA [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/78215
TESIS
Premiado

La contínua descàrrega de nutrients, sobretot fosfats i nitrogen, és la major causa d'eutrofització dels ecosistemes aquàtics. Els sistemes de tractament basats en aiguamolls construïts s'han emprat per reduir ells nivells de nitrogen a l'aigua com a alternativa de baix cost als mètodes de depuració convencionals. L'eliminació del nitrogen a aquests sistemes depèn en bona part de la vegetació, i l'alternança de condicions aeròbiques i anaeròbiques per promoure els processos de nitrificació i desnitrificació. En aquest treball hem volgut investigar les activitats microbianes de nitrificació i desnitrificació en relació a dues espècies de plantes macròfites en un sistema d'aiguamolls de tractament de flux superficial (FS-SAC), dissenyat per minimitzar l'impacte de l'alliberament d'aigua carregada de nutrients a la reserva natural dels Aiguamolls de l'Empordà (Girona, Espanya).
The continuous delivery of nutrients, mainly phosphate and nitrogen, is the major cause of eutrophication of aquatic environments. Treatment technologies based on constructed wetlands have been applied to reduce the levels of nitrogen as a cost-effective alternative compared to conventional treatment methods. The nitrogen removal efficiency in wetlands relies on the presence of plants and the alternation of aerobic and anaerobic conditions to promote both nitrification and denitrification. Although the role of emergent macrophytes in such systems is largely recognized, their contribution to the overall treatment process has not been quantified very frequently. We have investigated the microbial nitrification and denitrification activities in relation to two plant species in a free water surface constructed wetland (FWS-CW), designed to minimize the impact of nutrient release into the Natural Reserve of Els Aiguamolls de l'Empordà (Girona, Spain).

Anammox-based processes have been commonly applied for the treatment of reject water (high nitrogen content and low C:N ratio), in the sidestream line of urban wastewater tretament plants (WWTP). However, in recent years, it has increased the interest in applying anammox-based processes in the mainstream line (lower nitrogen content), which accounts for the majority of the influent nitrogen to the WWTP. But the application of autotrophic nitrogen removal by PNA has some challenges to deal, such as low anammox growth rate, mainly at low-temperature conditions, and the suppression of nitratation process. This thesis aimed at studying suitable operational strategies to deal with the challenges aforementioned, in order to achieve stable PNA at mainstream urban WWTP. The main strategies investigated were (i) extremely low dissolved oxygen (DO); (ii) effects of temperature; (iv) influence of different IC:N ratios; and (iv) different reactors configurations: sequencing batch (SBR) and plug-flow reactor
Els processos basats en la tecnologia anammox s'han aplicat habitualment per al tractament de l’aigua de retorn de centrígues (major contingut de nitrogen i baixa relació C: N) a la línia de fangs de les estacions depuradores de aigües residuals (EDARs). No obstant això, en els darrers anys, ha augmentat l'interès en aplicar processos basats en anammox en la línia principal de l'aigua (menor contingut de nitrogen), que representa la majoria del nitrogen que es aportat a una EDAR. Però l’aplicació de l’eliminació autotrófic de nitrogen té alguns reptes a tractar, com la baixa taxa de creixement de les bacteris anammox, principalment en condicions de baixa temperatura i la supressió del procés de nitratació. Aquesta tesi té com a objectiu estudiar estratègies operatives adequades per fer front als reptes esmentats, per tal d’aconseguir un PNA estable a les principals EDARs urbanes. Les principals estratègies investigades van ser (i) oxigen dissolt (DO) extremadament baix; (ii) efectes de la temperatura; (iv) influència de diferents ràtios IC: N; i (iv) diferents configuracions de reactors: discontinu seqüencial (SBR) i de flux de pistó

En aquesta tesi s’ha estudiat l’eliminació biològica de nitrogen en aigües residuals amb alta càrrega d’amoni. Aplicant certes condicions d’operació en un sistema de llots actius es pot aconseguir la nitrificació parcial o nitritació, que és l’oxidació de l’amoni a nitrit, evitant la conseqüent oxidació d’aquest nitrit a nitrat. Aquesta reducció en el procés de nitrificació aporta un seguit d’avantatges en front de la nitrificació convencional, tals com la reducció de les necessitats d’oxigen en la nitrificació i de la matèria orgànica en la desnitrificació, l’increment de la velocitat de desnitrificació i la reducció de la producció de biomassa. Aquesta tesi s’ha presentat com a compendi de publicacions. A continuació es presenta un breu resum dels articles: En l’Article I es presenta un sistema de nitrificació parcial format per una planta pilot amb tres reactors de fangs actius en sèrie. Aquesta planta pilot es va inocular a partir de llots d’una EDAR urbana i es va operar amb un llaç de control de la càrrega de nitrogen aplicada que consisteix en la modificació del cabal d’entrada segons els valors d’OUR mesurat als reactors. Utilitzant aquest llaç de control i treballant amb un temps de residència cel·lular baix es va aconseguir rentar els bacteris nitrit-oxidants del sistema. Simultàniament, també es va aconseguir tractar una elevada càrrega d’amoni i es va demostrar la viabilitat del procés a llarg termini tot obtenint una nitrificació parcial amb pràcticament només nitrit. Posteriorment, en l’Article II, es presenta la desnitrificació del corrent de nitrit obtingut amb el sistema desenvolupat en l’Article I. Aquesta desnitrificació es va realitzar utilitzant diferents fonts de carboni tals com etanol, glicerol, lixiviats d’abocador i finalment llots primaris i secundaris fermentats. Aquest estudi es va dur a terme en reactors discontinus seqüencials (SBR) i es van obtenir bones velocitats de desnitrificació per totes les fonts de carboni estudiades excepte pels llots secundaris fermentats. En l’Article III, es presenta l’estudi de l’efecte d’una llarga aturada del sistema de nitrificació parcial tot deixant d’alimentar durant 30 dies. Aquest estudi es va realitzar en quatre reactors discontinus que es van operar en diferents condicions d’aeració. Durant aquest període de temps es va fer un seguiment de l’activitat dels bacteris amoni-oxidants mitjançant respirometries i l’anàlisi FISH. Es va observar que és millor aturar el sistema de nitrificació parcial en condicions anòxiques i, a poder ser, no més de dues setmanes. Finalment, es va obtenir una recuperació ràpida del sistema utilitzant el llaç de control per OUR emprat en la planta pilot de l’Article I. Finalment, en l’Article IV es presenta l’estudi de l’efecte de les inhibicions per amoníac i per àcid nitrós en els bacteris amoni-oxidants, a més de l’efecte d’aquestes inhibicions en condicions de limitació per carboni inorgànic. Es va comprovar que la inhibició per amoníac es pot descriure amb precisió amb al model cinètic Haldane i la inhibició per àcid nitrós a un model d’inhibició no competitiva. Es va observar que l’efecte d’aquestes inhibicions s’incrementa en condicions de limitació per carboni inorgànic, sent molt més gran en el cas de l’àcid nitrós.
En esta tesis se estudia la eliminación biológica de nitrógeno en aguas residuales con una alta carga de amonio. Aplicando ciertas condiciones de operación en un sistema de lodos activos se puede conseguir la nitrificación parcial o nitritación, que es la oxidación del amonio a nitrito, evitando la consecuente oxidación de este nitrito a nitrato. Esta reducción en el proceso de nitrificación aporta unas ventajas frente a la nitrificación convencional, tales como la reducción de les necesidades de oxigeno en la nitrificación y de la materia orgánica en la desnitrificación, el incremento de la velocidad de desnitrificación y la reducción de la producción de biomasa. Esta tesis se presenta como compendio de publicaciones. A continuación se presenta un breve resumen de los artículos: En el Artículo I se presenta un sistema de nitrificación parcial formado por una planta piloto con tres reactores de lodos activos en serie. Esta planta piloto se inoculó a partir de lodos de una EDAR urbana y se operó con un lazo de control de la carga de nitrógeno aplicada que consiste en la modificación del caudal de entrada según los valores de OUR medidos en los reactores. Utilizando este lazo de control y trabajando con un tiempo de residencia celular bajo se consiguió lavar las bacterias nitritooxidantes del sistema. Simultáneamente, también se consiguió tratar una elevada carga de amonio y se demostró la viabilidad del proceso a largo plazo obteniendo una nitrificación parcial con prácticamente solo nitrito. Posteriormente, en el Artículo II, se presenta la desnitrificación de la corriente de nitrito obtenida con el sistema desarrollado en el Artículo I. Esta desnitrificación se realizó utilizando distintas fuentes de carbono tales como etanol, glicerol, lixiviados de vertedero y finalmente lodos primarios y secundarios fermentados. En este estudio se utilizaron reactores discontinuos secuenciales (SBR) y se obtuvieron buenas velocidades de desnitrificación para todas las fuentes de carbono estudiadas excepto para los lodos secundarios fermentados. En el Artículo III, se presenta el estudio del efecto de una larga parada del sistema de nitrificación parcial dejando de alimentar durante 30 días. Este estudio se realizó en cuatro reactores discontinuos que se operaron en distintas condiciones de aireación. Durante este período de tiempo se hizo un seguimiento de la actividad de las bacterias amonio-oxidantes utilizando técnicas respirométricas y el análisis FISH. Se observó que es mejor parar el sistema de nitrificación parcial en condiciones anóxicas y, a poder ser, no más de dos semanas. Finalmente, se consiguió una recuperación rápida del sistema utilizando el lazo de control por OUR utilizado en la planta piloto del Artículo I. Finalmente, en el Artículo IV se presenta el estudio del efecto de las inhibiciones por amoníaco y por ácido nitroso en las bacterias amonio-oxidantes, además del efecto de estas inhibiciones en condiciones de limitación por carbono inorgánico. Se comprobó que la inhibición por amoníaco se puede ajustar con precisión utilizando el modelo cinético Haldane y la inhibición por ácido nitroso utilizando el modelo de inhibición no competitiva. Se observó que el efecto de estas inhibiciones se incrementa en condiciones de limitación por carbono inorgánico, siendo mucho mayor en el caso del ácido nitroso.
Biological nitrogen removal of high-strength ammonium wastewater was studied in this thesis. Applying specific operational conditions in an activated sludge system, partial nitrification or nitritation (oxidation of ammonium to nitrite) was achieved, avoiding the consequently oxidation of this nitrite to nitrate. This reduction in the nitrification process provides some advantages in comparison to the complete nitrification process, such as the reduction of the oxygen requirements during nitrification and the organic matter during denitrification, the increasing of the denitrification rates and the reduction of the biomass production. This thesis was presented as a compendium of publications and a brief summary of the papers are presented: In Paper I, a partial nitrification system consisting of a pilot plant with three continuous stirred tank reactors in series is presented. This pilot plant was inoculated with sludge from a municipal WWTP and it was operated with a control loop of the nitrogen loading rate which was applied modifying the inflow rate depending on the OUR values measured in the reactors. With this control loop and low sludge retention time the washout of the nitrite-oxidizing bacteria was performed. Simultaneously, almost a complete partial nitrification to nitrite with a high nitrogen loading rate was achieved during a long term operation. Subsequently, in Paper II, the heterotrophic denitrification of the nitrite obtained with the pilot plant developed in Paper I was presented. Different organic carbon sources such as ethanol, glycerol, landfill leachate, fermented primary sludge centrate and fermented secondary sludge centrate were used in the heterotrophic denitrification. This study was carried out in sequential batch reactors (SBR) and a complete denitritation of a high-strength nitrite wastewater was achieved using these organic carbon sources with the exception of fermented secondary sludge centrate. In Paper III the study of the effect of a long-term starvation of a partial nitrification system during 30 days was presented. Four ammonium-starved reactors under different conditions of aeration were used. During this period the ammonia-oxidizing bacteria activity was evaluated using respirometric tests and the FISH analysis. It was observed that is better to shut-down a partial nitrification system under anoxic conditions and, if it is possible, no more than two weeks. Finally, a fast recovery of the system was achieved using the OUR control loop used in the pilot plant of Paper I. Finally, in Paper IV a study of the inhibitory effect by free ammonia and free nitrous acid on the ammonia-oxidizing bacteria under total inorganic carbon limitations and without total inorganic carbon limitations was presented. It was observed that the inhibition by free ammonia can be described accurately using the Haldane model and the inhibition by free nitrous acid using a non-competitive inhibition model. The effect of these inhibitions increased under total inorganic carbon limitation, being much higher in the case of the free nitrous acid.

En la presente tesis se desarrolla y optimiza un conjunto de metodologias que permiten la construccion de un sistema de control supervisor basado en el conocimiento, para la gestión y control de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales(EDAR). Para demostrar la aplicabilidad de este tipo de tecnicas, asi como incrementar el conocimiento del proceso y desarrollar nuevas tecnicas de control, se ha aplicado el sistema desarrollado a una planta piloto y a una EDAR real. En estas aplicaciones, se ha demostrado como una herramienta valida para el control y gestion en tiempo real de plantas depuradoras, que permite la mejora de los procesos de depuracion biologica, en cuanto a fiabilidad de operación, mejora del rendimiento de eliminacion y reducción del coste energetico necesario para obtener un determinado grado de depuración. Para la implementación del sistema, se ha construido una planta piloto altamente instrumentalizada y con gran versatilidad, que permite la eliminación simultanea de carbono, nitrogeno y fosforo. Toda la instrumentación disponible esta gestionada por un sistema de control y adquisición de datos (SCADA), diseñado siguiendo un esquema distribuido. Este sistema desarrollado e implementado en la planta piloto, ha permitido el funcionamiento autonomo de un proceso de depuracion biologica con eliminacion de nutrientes durante más de cuatro años. Por encima del sistema SCADA se ha implementado un Sistema Basado en el Conocimiento(SBC) que hace posible el control del rendimiento del proceso en conjunto. Este sistema permite el control de situaciones anormales y el cumplimiento de restricciones legales en el efluente en una planta depuradora(piloto o real). Para la validación de todo el sistema supervisor se han realizado una serie de experimentos en planta piloto para optimizar la eliminación de nitrogeno en condiciones de entrada constante y dinamicas. Los objetivos principales han sido la obtención de la eliminación de nitrogeno prefijada y la utilización de los minimos recursos posibles, manteniendo, a su vez, una adecuada eliminación de materia organica y fosforo. Utilizando distintas estrategias de operación se han obtenido mejoras en el proceso: un aumento de eliminacion por unidad de biomasa superior al 16% y una disminución en el vertido de nitrogeno superior al 46%.

Biological nutrient removal has been studied and applied for decades in order to remove nitrogen and phosphorus from wastewater. However, more anthropogenic uses and the continued demand for water have forced the facilities to operate at their maximum capacity. Therefore, the goal of this thesis is to obtain more compact systems for nutrient removal from domestic wastewater. In this sense, optimization and long-term stabilization of high volume exchange ratios reactors, treating higher volumes of wastewater, have been investigated. With the same target, aerobic granular sludge was proposed as a reliable alternative to reduce space and increase loading rates in treatment plants. However, the low organic loading rate from low-strength influents (less than 1 Kg COD•m-3d-1) results in slower granular formation and a longer time to reach a steady state. Because of that, different methodologies and operational conditions were investigated in order to enhance granulation and nutrient removal from domestic wastewater.
L’estudi de l’eliminació biològica de nutrients s’ha dut a terme durant dècades. Tot i això, la influencia de l’home i l’augment de la demanda d’aigua han forçat a les instal•lacions a treballar a la seva capacitat màxima. Així, l’objectiu de la tesi és obtenir sistemes més compactes per a l’eliminació de nutrients de les aigües residuals. En aquest sentit, s’ha investigat l’optimització i estabilització de reactors amb alts volums d’intercanvi, tractant més aigua. Amb el mateix objectiu, el fang granular aeròbic va ser proposat com una alternativa fiable per tal de reduir l’espai i incrementar les càrregues de les depuradores. Tot i això, la granulació amb influents de baixa càrrega (menors a 1 Kg dQO•m-3d-1) resulta més lenta i més dificultosa alhora d’obtenir l’estat estacionari. Per aquesta raó es van investigar diferents metodologies i condicions d’operació per tal de millorar la granularció i l’eliminació de nutrients de les aigües urbanes.

In the present work, the biological treatment of real reject water (800 mg NH4+-N L-1) from anaerobic digestion of sewage sludge from a waste water treatment plant (WWTP) is carried out.
The process was optimised with a Sequencing Batch Reactors (SBR) of 3 L using methanol for denitrification due to the lack of a readily biodegradable organic carbon source. Process kinetics were compared through the specific Ammonium Uptake Rate (sAUR) finding the appropriate operational sequence at 32ºC with an 8 hour cycle length. Every operational cycle was carried out with a solid retention time (SRT) of 11 days, hydraulic retention time (HRT) of 1 day and 2500 mg VSS L-1. In order to avoid nitrate formation, and thus to save costs, the oxygen concentration was maintained below 1 mg L-1 during the aerobic periods and pH remained within an optimal range (7.5-8.5) alternating different aerobic/anoxic sub-cycles inside the operational cycle. The total nitrogen removal was 0.8-0.9 kg N day-1 m-3. In order to make the process more economical metanol was substitute for the primary hidrolysate of the own WWTP obtaining a total nitrogen removal of 0.7 kg N day-1 m-3. The use of primary hidrolysate would lead to a cost reduction of 0.2-0.3 kg -1 N removed.
The next step was to compare the SBR technology to obtain the nitrite route with the continuous technology using a chemostat reactor. In that a chemostat SHARON (Single-reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite) continuous reactor (4 L) was operated to develop the biological nitrogen removal via nitrite of reject water at 33 ºC. Methanol was added for denitrification In the same chemostat took place nitrification and denitrification alternating periods of 1 hour with a total HRT of 2. As a conclusion, the SBR would be a slightly cheaper process (1.01 versus 1.28 kg -1 N) due to the higher volumetric reaction rates and the SHARON process is a more stable system.

Entre les estratègies ambientals i productives en l'ús dels nutrients s'inclou l'ús dels purins i l'ús dels inhibidors de la nitrificació (IN). En el cas del purins cal conèixer el seu impacte en el medi i valorar la seva capacitat d'aportar nutrients. L'aparició del nou IN, 3,4-dimetilpirazol fosfat (DMPP), patentat per l'empresa BASF l'any 1997, obria la possibilitat d'aplicar un producte que fins ara estava limitat als cultius d'alt valor econòmic, a la jardineria i als camps de golf.
La Tesi doctoral avalua, en diferents escenaris, l'ús del DMPP i l'ús de purins. Per aquest motiu, es van dur a terme dos experiments en testos amb el cultiu de raigràs anglès (Lolium perenne L.). També es van realitzar tres experiments de camp, un amb blat d'hivern (Triticum aestivum L.) durant quatre campanyes (1999-2003) en un sòl franc, un amb el mateix cultiu durant dues campanyes (2001-2003) en un sòl franc argil.lo-llimós, i un amb panís (Zea mays L.) durant dues campanyes (2002 i 2003) en un sòl franc. Utilitzant les dades del primer experiment de blat es va portar a terme una calibració i validació del model de simulació CropSyst.
El DMPP es va avaluar en diferents dosis de purí i en fertilitzants minerals, mitjançant el control del rendiment del cultiu, de l'absorció de nitrogen i en alguns experiments, de la resta de macro i micronutrients, i dels nivells de nitrats i amoni en el perfil del sòl.
També es van calcular índexs d'eficiència en l'ús del nitrogen i es va fer un balanç aproximat de nitrogen. En el cas dels testos, es van mesurar les pèrdues de nitrogen per lixiviació.
En general els rendiments van respondre directament a les aportacions de nitrogen, però
no es van trobar diferències clarament significatives per la utilització del DMPP.
Igualment va passar amb l'absorció de nitrogen i altres macro i micronutrients. Es van veure alguns resultats interessants a nivell mediambiental pel que fa a la pèrdua de nitrats per lixiviació, ja que hi va haver una reducció considerable d'aquestes pèrdues pel fet d'utilitzar el DMPP.El que és evident és que en experiments de camp hi ha un error experimental molt elevat que emmascara l'efecte que es vol analitzar. Com s'ha demostrat, no hi ha una clara consistència dels resultats. És a dir, en el cas de l'IN, l'efecte analitzat no sempre ha estat el de la hipòtesi plantejada. Tot i així, en la situació actual amb uns preus similars entre els fertilitzants amb i sense inhibidor de la nitrificació, els avantatges en l'ús de l'IN cal que es considerin (menys pèrdues per rentat, major disponibilitat de N per a la
planta i millors índexs d'eficiència) com una clara millora en la gestió de la fertilització
nitrogenada i una opció que s'ha tenir en compte com a bona pràctica agrària.
D'altra banda, en l'experimentació amb purins en quantitats que no superin els 30 m3 ha-1, el sistema tendeix a estar equilibrat respecte al balanç de fòsfor en el cas del blat de regadiu. El valor fertilitzant dels purins va quedar clarament demostrat i les seves limitacions ambientals poden controlar-se amb l'ús d'anàlisis tant dels purins com dels sòls on s'apliquen.
Pel que fa a l'ús del DMPP en els purins, els clars efectes de l'assaig amb testos no es van mostrar de manera tan evident en els experiments de camp. Fa falta un major control de les variables mesurades al camp per obtenir una clara resposta de l'efecte de l'IN aplicat amb el purí.
Entre las estrategias ambientales y productivas en el uso de los nutrientes, se incluye el uso de los purines y el uso de los inhibidores de la nitrificación (IN). En el caso de los
purines, hace falta conocer su impacto en el medio y valorar su capacidad para aportar nutrientes. La aparición del nuevo IN, 3,4-dimetilpirazol fosfato (DMPP), patentado por la empresa BASF en el año 1997, abría la posibilidad de aplicar un producto, que hasta el momento, estaba limitado a cultivos de alto valor económico, a la jardinería y a
campos de golf.
La tesis doctoral evalúa, en distintos escenarios, el uso del DMPP y el uso de los purines. Por este motivo, se llevaron a cabo dos experimentos en macetas con el cultivo de raigrás inglés (Lolium perenne L.). También se realizaron tres experimentos de campo, uno con trigo de invierno (Triticum aestivum L.) durante cuatro campañas
(1999-2003) en un suelo franco, uno con el mismo cultivo durante dos campañas (2001- 2003) en un suelo franco arcillo-limoso, y uno con maíz (Zea mays L.) durante dos campañas (2002 y 2003) en un suelo franco. Utilizando los datos del primer
experimento de trigo se llevó a cabo una calibración y validación del modelo de simulación CropSyst.
El DMPP fue evaluado en diferentes dosis de purín y en fertilizantes minerales, mediante el control del rendimiento del cultivo, de la absorción de nitrógeno y en algunos experimentos, de los otros macro y micronutrientes, y de los niveles de nitratos y amonio en el perfil del suelo. También se calcularon índices de eficiencia en el uso del
nitrógeno y se hizo un balance aproximado de nitrógeno. En el caso de las macetas, se midieron las pérdidas de nitrógeno por lixiviación.
En general los rendimientos respondieron directamente a las aportaciones de nitrógeno,
pero no se encontraron diferencias claramente significativas por la utilización del DMPP. Igualmente pasó con la absorción de nitrógeno y otros macro y micronutrientes. Se vieron algunos resultados interesantes a nivel medioambiental con respecto a lapérdida de nitratos por lixiviación, ya que ha habido una reducción considerable de estas pérdidas por el hecho de utilizar el DMPP.
Lo que es evidente es que en experimentos de campo hay un error experimental muy elevado que enmascara el efecto que se quiere analizar. Como se ha demostrado, no hay una clara consistencia de los resultados. Es decir, en el caso del IN, el efecto analizado no siempre ha sido el de la hipótesis planteada. Sin embargo, en la situación actual con unos precios similares entre los fertilizantes con y sin inhibidor de la nitrificación, las ventajas en el uso del IN deben considerarse (menos pérdidas por lavado, mayor
disponibilidad de N para la planta y mejores índices de eficiencia) como una clara
mejora en la gestión de la fertilización nitrogenada y una opción a tener en cuenta como
buena práctica agraria.
Por otro lado, en la experimentación con purines en cantidades que no superen los 30 m3 ha-1, el sistema tiene tendencia a estar equilibrado respeto al balance de fósforo en el caso del trigo de regadío. El valor fertilizante de los purines quedó claramente demostrado y sus limitaciones ambientales pueden controlarse con el uso de análisis tanto de los purines como de los suelos dónde se aplican.
En referencia al uso del DMPP en los purines, los claros efectos en el ensayo con macetas no se vieron de manera tan evidente en los experimentos de campo. Hace falta un mayor control de las variables medidas en campo para obtener una clara respuesta del efecto del IN aplicado con el purín.
Pig slurry (PS) fertilization and nitrification inhibitors (NI) use are included in environmental and productive strategies. In the case of PS, it is important to know its impact to environment and to value its capacity of nutrient contribution. The appearance of a new NI, 3,4-dimethylpirazol phosphate (DMPP), patented by BASF in 1997,
offered the possibility to apply this kind of products to agriculture and not only to value
crops, gardening and golf courses, as it was the case before.
This PhD thesis evaluates the use of DMPP and pig slurries in different scenarios. It is carried out in two pot experiments with ryegrass (Lolium perenne L.). Also, three field experiments were conducted, one with wheat (Triticum aestivum L.), during four seasons (1999-2003) in a loam soil, one with the same crop during two seasons (2001-
2003) in a silty clay loam soil, and one with maize (Zea mays L.) during two seasons (2002 and 2003) in a loam soil. Using data for the first experiment with wheat, a calibration and validation of the simulation model CropSyst was carried out.
DMPP was appraised in different doses of PS and in mineral fertilizers, by evaluating crop yield, nitrogen absorption, as well as macro and micronutrients absorption in some of the experiments, and nitrates and ammonium levels in soil profile. Nitrogen use efficiency indices and approximated nitrogen balance were also calculated. In pot experiments, lixiviation nitrogen losses we re measured. In general, crop yields had a direct response to nitrogen contribution, but there was no significant difference due to DMPP utilization. The same effect was found with nitrogen and macro and micronutrients absorption. Some interesting results were found because of the reduction of nitrate lixiviation due to DMPP utilitzation.
It is evident that in field experiments there is a high experimental error, which could mask the effect of what we want analyze. As it is demonstrated, results are not consistent. Namely, in the case of NI, the observed effect does not always agree with the initial hypothesis. However, in the present situation with similar prices between fertilizers with and without NI, we have to consider the advantages of using NI (less
lixiviation losses, higher nitrogen availability for plants and better efficieny indeces) as
a better management of nitrogen fertilization and an option for better agriculture practices.
Nevertheless, in experiments with pig slurries in quantities below 30 m3 ha-1 the system
tended to be balanced with phosphorus balance in the case of irrigated wheat. Pig slurry fertilizing value was proved and its environmental limitations can be controlled with pig
slurry and soil analyses.
The clear results found in pot experiments using DMPP with pig slurries, were not so evident in field experiments. A higher control in field measured variables is necessary in order to obtain a clear response to the effect of NI applied with pig slurry.

Tesis (Magister en Ciencias Agropecuarias)--UNC- Facultad de Ciencias Agropecuarias, 2014
En este trabajo de tesis se caracterizó el estado de degradación/recuperación del suelo en sistemas agrícolas con siembra directa y labranza convencional, mediante la determinación del grado de resiliencia de los procesos de humificación y nitrificación, con la finalidad de establecer prácticas de manejo acordes a las condiciones agroecológicas de la región semiárida Central de Argentina. El estudio se realizó en la pedanía Salto del departamento Tercero Arriba, de la provincia de Córdoba, caracterizada por ser el núcleo histórico de la producción de maní (Arachis hypogaea L.) en la Argentina. Se evaluaron las siguientes situaciones agrícolas: tres bajo siembra directa (5 años) con diferentes secuencia de cultivos (con monocultivo de soja, y con las rotaciones soja/sorgo y sorgo/soja) y dos bajo labranza convencional (rotación soja/sorgo/maní y soja/maní/sorgo). Además se analizó un sitio en restauración mediante clausura y un sitio con vegetación nativa (control). En cada situación se tomaron muestras superficiales de suelo al final del periodo de barbecho del año 2012. Para la caracterización de los suelos se determinó: humedad, pH, conductibilidad, textura y fraccionamiento por tamaño de partículas. Para evaluar el proceso de humificación se determinó: materia orgánica total, sustancias húmicas y ácidos fúlvicos. Para el proceso de nitrificación: contenido de nitratos, abundancia de microorganismos nitrificadores y actividad nitrificadora. Los resultados muestran un impacto negativo de las prácticas agrícolas sobre el contenido de materia orgánica y las fracciones recalcitrantes de la misma en relación al sitio control. Los ácidos fúlvicos se presentan como la fracción más sensible al manejo agronómico. Las prácticas agrícolas afectaron negativamente la actividad nitrificadora pero no la abundancia de los microorganismos nitrificadores. El análisis de la resiliencia del proceso de nitrificación y humificación indica escaso efecto de la siembra directa en el corto plazo desde la labranza convencional. Asimismo, la práctica de clausura permite visualizar la pobre capacidad intrínseca de los suelos de la región para recuperar su fertilidad per sé. Con este criterio, el manejo agrícola actual en la región semiárida central de la provincia de Córdoba tiene una baja probabilidad de mejorar la resiliencia de los procesos de humificación y nitrificación frente al uso intensivo de los suelos.
This research was conducted to evaluate the degradation/restoration degree of agricultural soils under no-till and conventional tillage systems by assessing the resilience of humification and nitrification processes in order to establish suitable management practices for the semi-arid central region of Argentina. The study was conducted in Tercero Arriba county, Córdoba province; the principal peanut (Arachis hypogaea L.) growing area of Argentina. The following agricultural situations were evaluated: three under no-till (5 years) with different cropping sequences (soybean monoculture and soybean/sorghum, sorghum/soybean rotations) and two under conventional tillage (soybean/sorghum/peanut and soybean/peanut/sorghum rotations). A restoration site (farm enclosure) and a control site with native vegetation were also analyzed. On each situation, surface soil samples were taken at the end of the winter fallow of 2012. For soil characterization it was determined: soil moisture, pH, conductivity, texture and particle size fractionation. To evaluate humification process, total organic matter, humic substances and fulvic acid content were determined. For nitrification process, nitrate content, abundance and activity of nitrifying microorganisms were evaluated. The results indicated a negative impact of agricultural practices on organic matter and its recalcitrant fractions in relation to control site. Fulvic acids were the most sensitive parameter to agricultural management. Similarly, agricultural practices adversely affected nitrification activity but did not modify the abundance of nitrifying microorganisms. The resilience analysis of humification and nitrification processes indicate a poor effect of no-till adoption in the short term from the transition of conventional tillage systems. Likewise, results of farm enclosure practice indicated a scarce intrinsic capacity of local soils to restore its fertility per se. With this approach, the current agricultural management in the central semiarid region of the province of Cordoba is unlikely to improve the local resilience of the humification and nitrification processes in front of intensive land use.

Tesis (Magíster en Ciencias Agropecuarias) -- UNC- Facultad de Ciencias Agropecuarias, 2016
La oxidación del amoníaco a nitrito constituye un paso crítico en el ciclo del nitrógeno (N) y es realizado por las bacterias oxidantes del amoníaco (BOA) o Nitritantes. El manejo agrícola puede afectar la comunidad de las BOA a través del uso prolongado de fertilizantes nitrogenados como la urea, cuya aplicación tiende a aumentar la acidez del suelo. El objetivo de este estudio fue caracterizar la comunidad de las BOA bajo el efecto acumulado de la aplicación de urea luego de 12 años en una secuencia maíz – trigo/soja – soja en siembra directa. El ensayo presenta un diseño en bloques completos aleatorizados con tres repeticiones sobre un suelo Argiudol típico de Marcos Juárez, Sudeste de Córdoba, Argentina. Los tratamientos fueron: A control sin aplicación; B y C con 95 y 165 kg ha -1 de urea como fuente de N, respectivamente. Se realizaron dos muestreos: previo a la siembra y en postcosecha de maíz. Para la caracterización de la comunidad de BOA se utilizaron los métodos del número más probable, shaken soil slurry, reacción en cadena de la polimerasa y electroforesis en gel de gradiente desnaturalizante. Además se determinaron variables químicas de suelo. La fertilización con urea disminuyó el pH del suelo, aumentó la abundancia y diversidad de las BOA pero no produjo cambios significativos en la actividad nitrificante potencial. La estructura de la comunidad de las bacterias nitritantes estuvo dominada por miembros del Grupo 3 de Nitrosospira en todos los tratamientos. Los resultados obtenidos indican que la fertilización con urea a largo plazo en un Argiudol típico representó una fuente de sustrato más que un factor limitante para las BOA. El efecto de la fertilización sobre la estructura de la comunidad de BOA fue más evidente en el muestreo previo a la siembra de maíz.
Ammonia oxidation to nitrite is a critical step in the nitrogen (N) cycle and is performed by ammonia oxidizing bacteria (AOB) or Nitritants. The agricultural management can affect the AOB community due to the prolonged use of nitrogen fertilizers such as urea which tends to increase soil acidity. The aim of this work was characterize AOB community after 12 years of urea application in a corn – wheat/soybean-soybean cropping sequence under no-tillage practices. The field experiment was performed a randomized complete block design with three replicates on a typical Argiudol soil at Marcos Juárez, Southeast of Córdoba, Argentine. The treatments were: A Unfertilized control; B and C with 95 and 165 kg ha -1 of urea as N source respectively. Soil samples were collected before sowing and after harvest of corn. The community of AOB was studied through the most probable number method, shaken soil slurry, polymerase chain reaction and electrophoresis in denaturing gradient gel. Also, soil chemical variables were determined. Urea fertilization decreased soil pH, increased the abundance and diversity of the AOB but did not significantly affect the nitrification potential. The structure of nitritants bacteria community was dominated by members of the Group 3 of Nitrosospira in all the treatments. The results showed that long-term urea fertilization in a typical Argiudol was a source of substrate and not a limiting factor for the nitritant bacteria. The fertilization effect on the community structure of ammonia oxidizers was more evident for the sampling date before corn sowing.