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

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

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.

Effect of nitrogen and phosphorus supply on growth, chlorophyll content and tissue composition of the macroalga Chaetomorpha linum (O.F. Mull), Kutz, in a Mediterranean Coastal Lagoon

The effect of dissolved nutrients on growth, nutrient content and uptake rates of Chaetomorpha linum in a Mediterranean coastal lagoon (Tancada, Ebro delta, NE Spain) was studied in laboratory experiments. Water was enriched with distinct forms of nitrogen, such as nitrate or ammonium and phosphorus. Enrichment with N, P or with both nutrients resulted in a significant increase in the tissue content of these nutrients. N-enrichment was followed by an increase in chlorophyll content after 4 days of treatment, although the difference was only significant when nitrate was added without P. P-enrichment had no significant effect on chlorophyll content. In all the treatments an increase in biomass was obseved after 10 days. This increase was higher in the N+P treatments. In all the treatments the uptake rate was significantly higher when nutrients were added than in control jars. The uptake rate of N, as ammonium, and P were significantly higher when they were added alone while that of N as nitrate was higher in the N+P treatment. In the P-enriched cultures, the final P-content of macroalgal tissues was ten-fold that of the initial tissue concentrations, thereby indicating luxury P-uptake. Moreover, at the end of the incubation the N:P ratio increased to 80, showing that P rather than N was the limiting factor for C. linum in the Tancada lagoon. The relatively high availability of N is related to the N inputs from rice fields that surround the lagoon and to P binding in sediments.

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.

Use of nitrification inhibitor DMPP to improve nitrogen recovery in irrigated wheat on a calcareous soil

The 3,4-dimethyilpyirazole phosphate (DMPP), commercialized as Entec, is a nitrification inhibitor developed by BASF (Germany) that may help to minimize N losses and to obtain a higher profit from N fertilizers. A two-year field trial was established in 2001 in the Northeast of Spain to assess the effects of DMPP on N use efficiency (NUE) and to determine the economic returns. Seven treatments have been carried out comparing the effect of DMPP on pig slurry and on mineral fertilizers. The application of DMPP resulted in better efficiency indexes on mineral fertilizers. An apparent nitrogen recovery of 0.465 kg kg-1, on average, was obtained for the Entec treatment. A net benefit of € 809 ha-1, on average, was obtained for the Entec treatment compared with € 607 ha-1 for the control treatment. The results of this study suggest that the nitrification inhibitor could improve farmer profit in irrigated wheat on a calcareous soil.

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.

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.

Alternativas tecnológicas para la recuperación y valorización del nitrógeno presente en los residuos orgánicos

La conciencia de los problemas asociados a la gestión de los residuos orgánicos y el interés por las oportunidades de su recuperación y valorización han ido tomando importancia en los últimos años, tanto en el campo de las deyecciones ganaderas como en el sector de las aguas residuales. Consecuentemente, las combinaciones tecnológicas que permitan cerrar los ciclos de los nutrientes y la recuperación energética han adquirido mayor importancia en la investigación así como en las nuevas normativas sectoriales. En este contexto se sitúa el trabajo realizado durante el periodo becado (octubre 2010 - noviembre 2011). En una primera etapa de estudio bibliográfico se identificaron i) el aumento de la eficiencia en el uso del nitrógeno en la agricultura y en la ganadería, ii) la reutilización del nitrógeno en los mismos ecosistemas agrícolas y iii) el tratamiento de las deyecciones para redistribuir el nitrógeno a zonas con poca disponibilidad, como las tres direcciones principales hacia las cuales se está focalizando el interés del sector agrícola. Se puso en marcha una planta piloto de stripping y absorción para estudiar la posibilidad de recuperar y valorizar el amoniaco presente en los purines en forma de solución amoniacal para la industria de fertilizantes. Los resultados obtenidos evidenciaron el rol fundamental de las características iníciales del substrato en el rendimiento global del proceso. En particular, elevados contenidos en materia orgánica resultaron en bajas eficiencias y en elevadas contaminaciones del producto obtenido. Finalmente, considerando sus potenciales ventajas tanto en la gestión de los residuos ganaderos como de las aguas residuales y focalizándose en las perdidas de nitrógeno se estudió un sistema descentralizado de separación de orina instalado en un centro de investigación. Los resultados preliminares permitieron caracterizar los principales procesos que ocurren en el sistema e identificar las posibles líneas futuras de investigación.

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.

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.

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.

Nitrogen incorporation effects in Fe(001) thin films

Nitrogen incorporates into Fe thin films during reactively sputtered TiN capping layer deposition. The influence that this nitrogen incorporation has both on the structure and magnetic properties is discussed for a series of Fe~001! thin films grown at different temperatures. A higher nitrogen content is accompanied by distortion in the Fe lattice and by reduction in the Fe magnetization saturation as well as in the effective anisotropy constant, K. The reduction of K brings as a consequence lowering in the coercive field with respect to equivalent Fe films with no nitrogen present.