Sequentially aerated membrane biofilm reactors for autotrophic nitrogen removal: microbial community composition and dynamics

Membrane-aerated biofilm reactors performing autotrophic nitrogen removal can be successfully applied to treat concentrated nitrogen streams. However, their process performance is seriously hampered by the growth of nitrite oxidizing bacteria (NOB). In this work we document how sequential aeration can bring the rapid and long-term suppression of NOB and the onset of the activity of anaerobic ammonium oxidizing bacteria (AnAOB). Real-time quantitative polymerase chain reaction analyses confirmed that such shift in performance was mirrored by a change in population densities, with a very drastic reduction of the NOB Nitrospira and Nitrobacter and a 10-fold increase in AnAOB numbers. The study of biofilm sections with relevant 16S rRNA fluorescent probes revealed strongly stratified biofilm structures fostering aerobic ammonium oxidizing bacteria (AOB) in biofilm areas close to the membrane surface (rich in oxygen) and AnAOB in regions neighbouring the liquid phase. Both communities were separated by a transition region potentially populated by denitrifying heterotrophic bacteria. AOB and AnAOB bacterial groups were more abundant and diverse than NOB, and dominated by the r-strategists Nitrosomonas europaea and Ca. Brocadia anammoxidans, respectively. Taken together, the present work presents tools to better engineer, monitor and control the microbial communities that support robust, sustainable and efficient nitrogen removal

Eliminació simultània de fòsfor i nitrogen en aigües residuals, utilitzant microorganismes DPAO en un reactor discontinu seqüencial (SBR)

En aquest estudi es realitzà eliminació biològica simultània de fòsfor i nitrogen en un Reactor Discontinu Seqüencial (SBR), el qual conté una biomassa enriquida amb Organismes Desnitrificadors Acumuladors de Fòsfor (DPAO) que utilitzen com a única font de carboni l’àcid propiònic i com acceptors d’electrons: nitrit en la fase anòxica i oxigen en l’aeròbica. L’SBR opera amb cicle de 8 h alternant fase anaeròbica, anòxica i aeròbica. El seguiment del sistema es realitzà mitjançant mesures on-line (titrimetria) i off-line (quantificació d’àcid propiònic, nitrit i fòsfor), utilitzant l’HPLC per quantificar l’àcid propiònic i cromatografia iònica per les mesures de nitrit i fòsfor. Amb aquest sistema es pretén augmentar la captació de fòsfor en la fase anòxica fet que s’aconseguí realitzant diferents canvis al reactor per tal de maximitzar el consum de nitrit en aquesta fase, ja fos allargant el temps de fase o augmentant la concentració de biomassa. Aquest experiment ha suposat un augment de la captació de fòsfor (33 mg P-PO4 3-/L), de l’eliminació neta de fòsfor (17 mg P-PO4 3-/L) i de consum de nitrit (27 mg N-NO2-). Per altra banda, es pretenia veure els efectes a curt termini de l’eliminació de la fase aeròbica a partir del seguiment de 2 cicle puntuals i d’un cicle de 32 h sense fase aeròbica. En ambdós casos s’aconseguí una eliminació neta de fòsfor.

Eliminació autotròfica de nitrogen en una pila biològica (microbial fuel cells )

L’aigua i l’energia formen un binomi indissociable. En relació al cicle de l’aigua, des de fa varies dècades s’han desenvolupat diferents formes per recuperar part de l’energia relacionada amb l’aigua, per exemple a partir de centrals hidroelèctriques. No obstant, l’ús d’aquesta aigua també porta associat un gran consum energètic, relacionat sobretot amb el transport, la distribució, la depuració, etc... La depuració d’aigües residuals porta associada una elevada demanda energètica (Obis et al.,2009). En termes energètics, tot i que la despesa elèctrica d’una EDAR varia en funció de diferents paràmetres com la configuració i la capacitat de la planta, la càrrega a tractar, etc... es podria considerar que el rati mig seria d’ aproximadament 0.5 KWh•m-3.Els principals costos d’explotació estan relacionats tant amb la gestió de fangs (28%) com amb el consum elèctric (25%) (50% tractament biològic). Tot i que moltes investigacions relacionades amb el tractament d’aigua residual estan encaminades en disminuir els costos d’operació, des de fa poques dècades s’està investigant la viabilitat de que l’aigua residual fins i tot sigui una font d’energia, canviant la perspectiva, i començant a veure l’aigua residual no com a una problemàtica sinó com a un recurs. Concretament s’estima que l’aigua domèstica conté 9.3 vegades més energia que la necessària per el seu tractament mitjançant processos aerobis (Shizas et al., 2004). Un dels processos més desenvolupats relacionats amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica és la digestió anaeròbia. No obstant, aquesta tecnologia permet el tractament d’altes càrregues de matèria orgànica generant un efluent ric en nitrogen que s’haurà de tractar amb altres tecnologies. Per altre banda, recentment s’està investigant una nova tecnologia relacionada amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica: les piles biològiques (microbial fuel cells, MFC). Aquesta tecnologia permet obtenir directament energia elèctrica a partir de la degradació de substrats biodegradables (Rabaey et al., 2005). Les piles biològiques, més conegudes com a Microbial Fuel Cells (acrònim en anglès, MFC), són una emergent tecnologia que està centrant moltes mirades en el camp de l’ investigació, i que es basa en la producció d’energia elèctrica a partir de substrats biodegradables presents en l’aigua residual (Logan., 2008). Els fonaments de les piles biològiques és molt semblant al funcionament d’una pila Daniell, en la qual es separa en dos compartiments la reacció d’oxidació (compartiment anòdic) i la de reducció (compartiment catòdic) amb l’objectiu de generar un determinat corrent elèctric. En aquest estudi, bàsicament es mostra la posada en marxa d'una pila biològica per a l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals.

Anàlisi comparativa dels processos emergents sharon i anammox per al tractament d’aigües amb una alta càrrega de nitrogen

Estudi de tractaments innovadors en aigües residuals amb elevada concentració de nitrogen mitjançant la tecnologia ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation) i SHARON i posterior anàlisi teòrica de la gestió dels fangs residuals d’una EDAR

The problem of nitrogen disposal in the obese

Amino-N is preserved because of the scarcity and nutritional importance of protein. Excretion requires its conversion to ammonia, later incorporated into urea. Under conditions of excess dietary energy, the body cannot easily dispose of the excess amino-N against the evolutively adapted schemes that prevent its wastage; thus ammonia and glutamine formation (and urea excretion) are decreased. High lipid (and energy) availability limits the utilisation of glucose, and high glucose spares the production of ammonium from amino acids, limiting the synthesis of glutamine and its utilisation by the intestine and kidney. The amino acid composition of the diet affects the production of ammonium depending on its composition and the individual amino acid catabolic pathways. Surplus amino acids enhance protein synthesis and growth, and the synthesis of non-protein-N-containing compounds. But these outlets are not enough; consequently, less-conventional mechanisms are activated, such as increased synthesis of NO∙ followed by higher nitrite (and nitrate) excretion and changes in the microbiota. There is also a significant production of N(2) gas, through unknown mechanisms. Health consequences of amino-N surplus are difficult to fathom because of the sparse data available, but it can be speculated that the effects may be negative, largely because the fundamental N homeostasis is stretched out of normalcy, forcing the N removal through pathways unprepared for that task. The unreliable results of hyperproteic diets, and part of the dysregulation found in the metabolic syndrome may be an unwanted consequence of this N disposal conflict.

Response of wheat to additional nitrogen fertilizer application after pig slurry on over-fertilized soils

Pig slurry is a valuable nutrient resource but constitutes a waste disposal problem in areas of high animal density. In the semiarid area of Pla d’Urgell, in the Ebro Valley, North-East Spain, irrigated crops receive large amounts of nutrients in the form of manure and mineral fertilizers. We studied the effect of pig slurry and additional side-dress mineral fertilizers on irrigated wheat, Triticum aestivum L., on a coarse loam soil, with high soil P and K levels. Yields increased by 62.3% when using pig slurry. The application of ammonium sulfate nitrate sidedress did not significantly increase wheat production. The average apparent recoveries were higher for potassium (88.7%) than for nitrogen (51.3%) and phosphorus (36.3%). Greater amounts of soil NO3-N were measured over the four growing seasons, which was consistent with the amount of N applied. Macronutrient and micronutrient uptake was significant higher for pig slurry treatments, but only small differences were found between the pig slurry and pig slurry plus ammonium sulfate nitrate treatments. The unfertilized treatment showed significantly lower soil P, K, Cu and Zn content than pig slurry treatments; 34%, 21%, 34%, and 26% respectively. These findings could be used to develop a nutrient management plan based on knowledge of soil test results and crop nutrient removal. This could help to improve the use of pig slurry and mineral fertilizers on limited available land areas and prevent the accumulation of potentially toxic elements in soils and the export of nutrients through agricultural drainage.

Effects of inorganic nitrogen (NH4Cl) and biodegradable organic carbon (CH3COONa) additions on a pilot-scale seawater biofilter

Biofilters degrade only a small fraction of the natural organic matter (NOM) contained in seawater which is the leading cause of biofouling in downstream processes. This work studies the effects of chemical additions on NOM biodegradation by biofilters. In this work, biofiltration of seawater with an empty bed contact time (EBCT) of 6 min and a hydraulic loading rate of 10 m h-1 reduces the biological oxygen demand (BOD7) by 8%, the dissolved organic carbon (DOC) by 6% and the UV absorbance at 254 nm (A254) by 7%. Different amounts of ammonium chloride are added to the seawater (up to twice the total dissolved nitrogen in untreated seawater) to study its possible effect on the removal of NOM by a pilot-scale biofilter. Seawater is amended with different amounts of easily biodegradable dissolved organic carbon (BDOC) supplied as sodium acetate (up to twice the DOC) for the same purpose. The results of this work reveal that the ammonium chloride additions do not significantly affect NOM removal and the sodium acetate is completely consumed by the biofiltration process. For both types of chemical additions, the BOD7, DOC and A254 in the outlet stream of the biofilter are similar to the values for the untreated control. These results indicate that this biofilter easily removes the BDOC from the seawater when the EBCT is not above 6 min. Furthermore, nitrogen does not limit the NOM biodegradation in seawater under these experimental conditions.

Balanç de nitrogen i anàlisi del consum d'aigua al Baix Empordà

El present treball pretén avaluar l’impacte de les activitats agràries sobre les aigües subterrànies, al Baix Empordà. La ramaderia intensiva genera uns residus que l’agricultura no és capaç d’assumir. Els excedents generats s’infiltren al subsòl, generalment en forma de nitrats (NO3-), provocant la contaminació de les aigües subterrànies. Aquesta pot provocar greus problemes ecològics en els sistemes aquàtics, i afectar a la salut humana. S’ha realitzat un balanç de nitrogen per a les zones agrícoles de l’àrea d’estudi, avaluant els diversos processos que incorporen o extreuen nitrogen al sòl. Paral·lelament, s’ha estudiat el consum d’aigua provocat pel diversos sectors presents a la zona d’estudi, per tal d’avaluar quantitativament la pressió que provoquen sobre els aqüífers. Els resultats obtinguts mostren que la majoria de municipis estudiats generen excedents de nitrogen, justificant la presència de nitrats al subsòl.

Desarrollo y aplicación de estrategias de control avanzado en procesos biológicos de tratamiento de efluentes contaminados

En este proyecto se ha desarrollado estrategias de control avanzadas para plantas de depuración de aguas residuales urbanas que eliminan conjuntamente materia orgánica, nitrógeno y fósforo. Las estrategias se han basado en el estudio multivariable del comportamiento del sistema, que ha producido subsidios para la utilización de lazos de control feedforward, de control predictivo y de un control de costes que automáticamente enviaba las consignas más adecuadas para los controladores de proceso. Para el desarrollo de las estrategias, se ha creado un sistema virtual de simulación (simulador) de plantas de depuradoras, basado en datos de literatura. Para el caso de una planta real, se ha desarrollado un simulador de la planta de Manresa (Catalunya). Sin embargo, el sistema de Manresa se ha utilizado exclusivamente para auxiliar los ingenieros de la planta en la tomada de decisiones de cambio de configuración para que la eliminación de fósforo se dé por la ruta biológica y no por la ruta química. La implementación de los simuladores ha permitido hacer muchas pruebas que en una planta real demandarían mucho tiempo y consumirían muchos recursos energéticos y financieros. Las estrategias de control más elaboradas han podido ahorrar hasta 150.000,00 Euros por año en relación a la operación de la planta sin el control automático. Cuanto a los estudios del modelo de la planta real, se concluyó que la eliminación biológica de fósforo puede sustituir el actual proceso químico de eliminación de fósforo, bajando los costes operacionales (costes del agente precipitante).

Effects of convection on the removal of the multiplicity of stable states in one-dimensional vertical models

Here I develop a model of a radiative-convective atmosphere with both radiative and convective schemes highly simplified. The atmospheric absorption of radiation at selective wavelengths makes use of constant mass absorption coefficients in finite width spectral bands. The convective regime is introduced by using a prescribed lapse rate in the troposphere. The main novelty of the radiative-convective model developed here is that it is solved without using any angular approximation for the radiation field. The solution obtained in the purely radiation mode (i. e. with convection ignored) leads to multiple equilibria of stable states, being very similar to some results recently found in simple models of planetary atmospheres. However, the introduction of convective processes removes the multiple equilibria of stable states. This shows the importance of taking convective processes into account even for qualitative analyses of planetary atmosphere

Obtenció d'estruvita a partir de la fracció líquida digerida de purins de vaca

Actualment a Catalunya existeixen zones amb importants limitacions per l’aplicació de purins al sòl, pel que és imprescindible trobar alternatives de gestió i tractament que permetin l’aprofitament adequat dels recursos continguts a les dejeccions ramaderes sense afectar el medi. La digestió anaeròbia és una de les tècniques utilitzades en el tractament de les dejeccions ramaderes. L’efluent líquid que s’obté d’aquest tractament no modifica el contingut de nitrogen i fòsfor i per tant ha de ser gestionat correctament. L’objectiu general d’aquest projecte és avaluar la precipitació d’estruvita (sal de magnesi, amoni i fosfat) com una alternativa de gestió de l’efluent líquid d’una planta de digestió anaeròbia i compostatge que tracta dejeccions ramaderes conjuntament amb altres residus orgànics. S’han avaluat els efectes dels diferents paràmetres operacionals en la formació d’estruvita (pH, temperatura, velocitat d’agitació, alcalinitat), mitjançant assaigs en discontinu amb solució sintètica. A continuació s’ha procedit a obtenir estruvita a partir de la fracció líquida digerida de purí (FLD), en assaigs en discontinu per estudiar l’efecte del contingut de matèria orgànica i sòlids Totals (ST), així com el contingut en fosfats i el pH de reacció. Finalment, s’han optimitzat els paràmetres de procés en continu, mitjançant la posada en marxa d’un reactor a escala de laboratori i estudi de l’efecte de la velocitat d’agitació i de la introducció del stripping de CO2, tant amb solució sintètica com amb la fracció líquida digerida del purí. Dels resultats obtinguts es pot concloure que els factors que tenen una major influència en el procés d’obtenció d’estruvita són el pH (el pH òptim es situa al voltant de 9), i la presència de matèria orgànica i sòlids ens suspensió, que interfereix de forma quantitativa i qualitativa en la formació de l’estruvita. En el procés en continu s’ha aconseguit reduccions d’un 84% i 98% d’amoni i fòsfor respectivament, obtenintse estruvita que pot ser utilitzada com a fertilitzant d’alliberació lenta. Es pot concloure que la precipitació d’estruvita és una bona alternativa per millorar la gestió de les dejeccions ramaderes alhora que permet recuperar nutrients i tancar cicles. La combinació amb un tractament previ que elimini la matèria orgànica, com podria ser la digestió anaeròbia, i una separació de fases, per eliminar els sòlids en suspensió, es presenta com una configuració amb molts avantatges.

Efecto de los usos del suelo en la emisión de dióxido de carbono del suelo a la atmósfera en un agroecosistema semiárido del Valle del Ebro

Los cambios en los usos del suelo han contribuido de manera importante al incremento de gases de efecto invernadero en la atmósfera, especialmente de dióxido de carbono, aumentando sus emisiones desde 1970 en un 80%. Estos cambios causan la alteración de los suelos provocando un impacto sobre el ciclo del carbono, aumentando las tasas de descomposición de la fracción orgánica creando así un flujo de CO2 a la atmosfera. Entre las recomendaciones del Panel Intergubernamental de expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, en inglés), y contemplado en el Protocolo de Kyoto, se encuentra el proceso de secuestro de carbono en suelos, que implica la eliminación del CO2 atmosférico por parte de las plantas y su almacenamiento como materia orgánica del suelo. Para poder favorecer dicho proceso, en un determinado tipo de ecosistema, es fundamental conocer cuáles son los factores que gobiernan la respiración del suelo y el impacto que tienen los diferentes usos en la emisión de CO2. En el presente trabajo se han estudiado 4 usos del suelo representativos del secano aragonés: un monocultivo de cebada en siembra directa (NT), un suelo abandonado labrado (AC), un suelo abandonado no alterado (AU) y un suelo forestal (FR) con el objetivo de conocer sus tasas de respiración, la influencia de diferentes parámetros edáficos en ellas, y proponer cambios en el uso del suelo que ayuden a mitigar estas emisiones. Además, se ha dedicado un apartado para conocer cómo influyen diferentes técnicas de fertilización nitrogenada (mineral y orgánica) en la respiración de un monocultivo de cebada en siembra directa. En cuanto a los usos, los resultados obtenidos tanto in situ como en laboratorio muestran una mayor respiración en AC, siendo los valores más bajos los de NT y FR. Una de las principales conclusiones es que la supresión del laboreo y del periodo de barbecho largo, así como la conversión de tierras abandonadas y marginales a cultivos y zonas forestales se presentan en este tipo de ecosistemas como prácticas de secuestro de carbono. En el estudio de aplicación de fertilizantes, no se observó ningún cambio en la respiración del suelo después de la aplicación de nitrógeno mineral. En cambio, el suelo fertilizado con purín sí que mostró picos de emisión durante las siguientes horas a la incorporación de éste, debido fundamentalmente a su alto contenido de carbono lábil.

Effluent particle removal by microirrigation system filters

The aim of this work was to determine whether the filters used in microirrigation systems can remove potentially emitter-clogging particles. The particle size and volume distributions of different effluents and their filtrates were established, and the efficiency of the removal of these particles and total suspended solids by screen, disc and sand filters determined. In most of the effluents and filtrates, the number of particles with a diameter > 20 μm was minimal. By analysing the particle volume distribution it was found that particles larger than the disc and screen filter pores appeared in the filtrates. However, the sand filter was able to retain particles larger than the pore size. The filtration efficiency depended more on the type of effluent than on the filter. It was also found that the particle size distribution followed a potential law. Analysis of the β exponents showed that the filters did not significantly modify the particle size distribution of the effluents

X-ray photoelectron spectroscopy analysis of ion¿beam¿induced oxidation of GaAs and AlGaAs

The oxidation of GaAs and AlGaAs targets subjected to O2+ bombardment has been analyzed, using in situ x¿ray photoelectron spectroscopy, as a function of time until steady state is reached. The oxides formed by the O2+ bombardment have been characterized in terms of composition and binding energy. A strong energy and angular dependence for the oxidation of As relative to Ga is found. Low energies as well as near normal angles of incidence favor the oxidation of As. The difference between Ga and As can be explained in terms of the formation enthalpy for the oxide and the excess supply of oxygen. In an AlGaAs target the Al is very quickly completely oxidized irrespective of the experimental conditions. The steady state composition of the altered layers show in all cases a preferential removal of As.

Properties of nitrogen doped silicon films deposited by low-pressure chemical vapor deposition from silane and ammonia

Nitrogen doped silicon (NIDOS) films have been deposited by low-pressure chemical vapor deposition from silane SiH4 and ammonia NH3 at high temperature (750°C) and the influences of the NH3/SiH4 gas ratio on the films deposition rate, refractive index, stoichiometry, microstructure, electrical conductivity, and thermomechanical stress are studied. The chemical species derived from silylene SiH2 into the gaseous phase are shown to be responsible for the deposition of NIDOS and/or (silicon rich) silicon nitride. The competition between these two deposition phenomena leads finally to very high deposition rates (100 nm/min) for low NH3/SiH4 gas ratio (R¿0.1). Moreover, complex variations of NIDOS film properties are evidenced and related to the dual behavior of the nitrogen atom into silicon, either n-type substitutional impurity or insulative intersticial impurity, according to the Si¿N atomic bound. Finally, the use of NIDOS deposition for the realization of microelectromechanical systems is investigated.