Estudio de la influencia de la relación C/N en la desnitrificación y metanogénesis de aguas residuales en un reactor anaeróbico de lecho fluidizado inverso

La nitrificación-desnitrificación es el proceso biológico tradicional para la remoción de nitrógeno de las aguas residuales (Ruiz G. et al., 2006a), siendo fundamental ya que contribuye a controlar la eutroficación de los cuerpos receptores. Debido al deterioro que sobre la disponibilidad de los recursos han ejercido las actividades antropogénicas, es necesario orientar el tratamiento de las aguas residuales hacia tecnologías que ofrezcan el mayor grado de sustentabilidad, planteando innovaciones en el tratamiento. El presente proyecto de tesis doctoral versa sobre el estudio de la influencia de la relación C/N en la desnitrificación y metanogénesis de aguas residuales urbanas en un reactor anaeróbico de lecho fluidizado inverso (RLFI). Previamente a la realización de las pruebas experimentales de variación de la relación C/N, se llevó a cabo la etapa de arranque del RLFI la cual se inició en modo batch, favoreciendo la formación y adhesión de biopelícula al medio de soporte utilizado (Extendosphere). Después, sobrevino la operación en modo continuo desde una carga volumétrica aplicada (CVA) de 0.5 g DQOs/L⋅d hasta alcanzar 4 g DQOs/L⋅d, carga volumétrica a la cual se logró la plena estabilización del reactor, siendo la alta variabilidad de la concentración de DQOs en el agua residual urbana de alimentación, la principal problemática que ocasionó retrasos en la estabilidad del reactor. A una CVA de 4 g DQOs/L⋅d en estado estacionario, el valor mínimo de eficiencia de remoción de DQOs fue del 32.36% y el máximo de 66.99%. En estas condiciones el porcentaje de metano presente en el biogás producido tuvo un valor medio de 85.57 ± 2.93%, siendo un valor alto comparado con otros porcentajes de metano encontrados en la digestión anaerobia de aguas residuales urbanas. El YCH4 tuvo un valor medio de 0.316 ± 0.110 LCH4/g DQOrem⋅día. Los porcentajes de metanización variaron en el rango de 20.50 a 100%, registrándose un valor medio de 73.42 ± 25.63%. La considerable variabilidad en el porcentaje de metanización se debió principalmente a que se presentaron eventos de lavado de soporte colonizado, lo cual propició que las actividades metabólicas fueran orientadas hacia formación de biopelícula (anabolismo) en vez de estar dirigidas hacia producción de metano (catabolismo). En relación a los ensayos con variación de la relación C/N, se manejaron relaciones DQOs/N-NO3 en el rango de 1.65 a 21.1 g DQOs/g N-NO3. La tasa de remoción anaerobia de DQOs se incrementó con la concentración de sustrato en una relación casi lineal, ajustándose a una cinética de primer orden, lo que regularmente se presenta a concentraciones bajas de sustrato. La eficiencia del proceso de desnitrificación fue por lo regular alta, incrementándose ligeramente con la concentración de DQOs en el influente, con valores en el rango de 73.8 a 99.1%. Por otra parte, la tasa de remoción por metanogénesis se incrementó con la concentración relativa de sustrato (es decir, a mayores relaciones DQOs/N-NO3), siendo más sensitiva la metanogénesis a la concentración relativa de sustrato que la desnitrificación. Conforme aumentó la relación DQOs/N-NO3, la desnitrificación, de ser la ruta metabólica principal de utilización de la materia orgánica (comparada con la metanización), empezó a combinarse con la metanización. De manera evidente, a las relaciones DQOs/N-NO3 probadas, se manifestaron más las actividades desnitrificantes, quedando reflejadas por el alto porcentaje de utilización de la DQOs removida hacia la desnitrificación. La relación experimental DQOs/N-NO3 a la cual se pudiera haber cumplido con el requerimiento de materia orgánica (en términos de DQOs) para la desnitrificación de nitratos en las aguas residuales urbanas tratadas resultó aproximadamente ser igual a 7.1 g DQOs/g N-NO3. A una CVA de 4 g DQOs/L⋅d, se obtuvo un diámetro promedio máximo de soporte colonizado igual a 266.106 ± 69.279 μm aunque, hay que indicarlo, se presentaron fluctuaciones, las cuales se reflejaron también en el espesor de la biopelícula, el cual tuvo un valor máximo de 50.099 μm y un valor promedio de 37.294 ± 11.199 μm. Estas fluctuaciones pudieron deberse a la existencia de corrientes preferenciales dentro del reactor, las cuales no permitieron un acceso equitativo del sustrato a todo el lecho. Nitrification-denitrification is the traditional biological process for nitrogen removal from wastewaters (Ruiz G. et al., 2006a), being fundamental since it contributes to control the eutrophication of the receiving waters. Due to the deterioration that on the availability of the aquatic resources the anthropogenic activities have exerted, it is necessary to orient the treatment of wastewaters towards technologies that offer the greater degree of sustainability, raising innovations in the treatment. This work studied the influence of C/N ratio on denitrification and methanogenesis of urban wastewaters in an inverse fluidized bed reactor (IFBR). Previously to the accomplishment of the experimental tests with variation of C/N ratio, the start up of the IFBR was carried out in batch way, encouraging the formation and adhesion of biofilm to Extendosphere, which it was used as support. The operation in continuous way carried out from an organic loading rate (OLR) of 0.5 g CODs/L ∙ d to 4 g CODs/L ∙ d, when the steady-state was reached. The high variability of the CODs of the urban wastewaters caused delays in the stability of the reactor. Once stationary state was reached, the removal efficiency of CODs ranged from 32.36 to 66.99% to 4 g CODs/L ∙ d. In these conditions the percentage of methane in produced biogas had an average value of 85.57 ± 2.93%, being a high value compared with other studies treating anaerobically urban wastewaters. The YCH4 had an average value of 0.316 ± 0.110 LCH4/g CODrem ∙ d. The percentage of methanisation ranged from 20.50 to 100%, with an average value of 73.42 ± 25.63%. The considerable variability in the methanisation percentage occurred mainly due events of wash-out of colonized support, which caused that the metabolic activities were oriented towards formation of biofilm (anabolism) instead of methane production (catabolism). Concerning the tests with variation of C/N ratio, CODs/NO3-N ratios from 1.65 to 21.1 g CODs/g NO3-N were proved. The CODs anaerobic removal rate increased with the substrate concentration in an almost linear relation, adjusting to a kinetic of first order, which regularly appears to low concentrations of substrate. Efficiency of the denitrification process was regularly high, and it increased slightly with the CODs concentration in the influent, ranging from 73.8 to 99.1%. On the other hand, the CODs removal rate by methanogenesis increased with the substrate relative concentration (e.g., to greater CODs/NO3-N ratios), being more sensitive the methanogenesis to the substrate relative concentration that the denitrification. When the CODs/NO3-N ratio increased, the denitrification, of being the main metabolic route of use of the organic matter (compared with the methanogenesis), began to be combined with the methanogenesis. Definitively, to the proven CODs/NO3-N ratios the denitrification processes were more pronounced, being reflected by the high percentage of use of the removed CODs towards denitrification. The experimental CODs/NO3-N ratio to which it was possible to have been fulfilled the requirement of organic matter (in terms of CODs) for the denitrification of nitrates in urban wastewaters turned out to be approximately 7.1 g CODs/g NO3-N. It was obtained a maximum average diameter of colonized support of 266.106 ± 69.279 μm to 4 g CODs/L ∙ d, although it is necessary to indicate that appeared fluctuations in the thickness of biofilm, which had a maximum value of 50.099 μm and an average value of 37.294 ± 11.199 μm. These fluctuations could be due to the existence of preferential currents within the reactor, which did not allow an equitable access of the substrate to all the bed.

Modeling GHG emissions, N and C dynamics in Spanish agricultural soils.

To date, only few initiatives have been carried out in Spain in order to use mathematical models (e.g. DNDC, DayCent, FASSET y SIMSNIC) to estimate nitrogen (N) and carbon (C) dynamics as well as greenhouse gases (GHG) in Spanish agrosystems. Modeling at this level may allow to gain insight on both the complex relationships between biological and physicochemical processes, controlling the processes leading to GHG production and consumption in soils (e.g. nitrification, denitrification, decomposing, etc.), and the interactions between C and N cycles within the different components of the continuum plant-soil-environment. Additionally, these models can simulate the processes behind production, consumition and transport of GHG (e.g. nitrous oxide, N2O, and carbon dioxide, CO2) in the short and medium term and at different scales. Other sources of potential pollution from soils can be identified and quantified using these process-based models (e.g. NO3 y NH3).

Microbes as engines of ecosystem function : When does community structure enhance predictions of ecosystem processes?

Peer reviewed

Isolation of 'Candidatus Nitrosocosmicus franklandus', a novel ureolytic soil archaeal ammonia oxidiser with tolerance to high ammonia concentration

Acknowledgements. The authors would like to thank Mr Kevin Mackenzie and Mrs Gillian Milne (University of Aberdeen) for technical support with scanning electron microscopy, and Dr Robin Walker for access to the Woodlands Field experimental plots at the SRUC,Craibstone Estate, Aberdeen. This work was financially supported by Natural Environmental Research Council (standard grants NE/I027835/1 and NE/L006286/1 and fellowship NE/J019151/1), EC Marie Curie ITN NORA, Grant Agreement No. 316472, the AXA Research Fund and the Centre for Genome Enabled Biology and Medicine, University of Aberdeen.

Measurement of community metabolism and significance in the coral reef CO2 source-sink debate

Two methods are commonly used to measure the community metabolism (primary production, respiration, and calcification) of shallow-water marine communities and infer air–sea CO2 fluxes: the pH-total alkalinity and pH-O2 techniques. The underlying assumptions of each technique are examined to assess the recent claim that the most widely used technique in coral reefs (pH-total alkalinity), may have provided spurious results in the past because of high rates of nitrification and release of phosphoric acid in the water column [Chisholm, J. R. M. & Barnes, D. J. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 6566–6569]. At least three lines of evidence suggest that this claim is not founded. First, the rate of nitrification required to explain the discrepancy between the two methods recently reported is not realistic as it is much higher than the rates measured in another reef system and greater than the highest rate measured in a marine environment. Second, fluxes of ammonium, nitrate, and phosphorus are not consistent with high rates of nitrification and release of phosphoric acid. Third, the consistency of the metabolic parameters obtained by using the two techniques is in good agreement in two sites recently investigated. The pH-total alkalinity technique therefore appears to be applicable in most coral reef systems. Consequently, the conclusion that most coral reef flats are sources of CO2 to the atmosphere does not need revision. Furthermore, we provide geochemical evidence that calcification in coral reefs, as well as in other calcifying ecosystems, is a long-term source of CO2 for the atmosphere.

Remoção de matérias orgânica e nitrogenada de esgoto sanitário em reator de leito estruturado, em escala piloto

O processo de nitrificação e desnitrificação simultâneas (NDS) permite alcançar a remoção combinada de matérias carbonácea e nitrogenada em uma única unidade. O reator de leito estruturado, com biomassa imobilizada e recirculação interna, apresenta características positivas para que estes processos envolvidos ocorram, tais como propiciar a formação de biofilme e evitar a colmatação do leito. Esta configuração tem sido estudada com êxito em reatores em escala de bancada para tratamento de esgoto. Nesta pesquisa foi utilizado um reator de leito estruturado em escala piloto com a finalidade de avaliar sua implantação, eficiência e estabilidade tratando esgoto doméstico em condições reais para futura aplicação em pequenas comunidades, condomínios residenciais entre outros como sistema descentralizado. O reator foi construído em fibra de vidro, de formato cilíndrico, com diâmetro interno de aproximadamente 0,80 m e 2,0 m de altura. O volume total foi de aproximadamente 0,905 m3 e o volume útil de 0,642 m3. A operação foi realizada sob condições de aeração contínua e intermitente e os tempos de detenção hidráulica (TDH) testados foram de 48, 36 e 24 horas. A remoção de DQO manteve-se acima de 90% com TDH de 48 e 36 horas. A melhor eficiência de remoção de nitrogênio total foi de 72,4 ± 6,4%, sob TDH de 48 horas e a aeração intermitente, com 2 horas de aeração e 1 hora não aerada. A concentração de oxigênio dissolvido (OD) média de 2,8 ± 0,5 mg.L-1 na fase aerada e temperatura média de 24,7 ± 1,0 °C. Nesse mesmo período, a eficiência média de remoção de DQO foi de 94 ± 4 %. Apesar das dificuldades apresentadas no controle da aeração, as eficiências das remoções obtidas indicaram que o reator de leito estruturado e aeração intermitente (LEAI) se apresenta como uma alternativa promissora em escala plena, requerendo ajustes para construção e incremento da estabilidade da NDS.

Avaliação da remoção de nitrogênio via nitrificação e desnitrificação simultânea em um reator biológico com leito móvel (IFAS).

O fenômeno conhecido como Nitrificação e Desnitrificação Simultânea (SND) significa que em um mesmo reator ocorre simultaneamente a nitrificação e a desnitrificação, sob condições de operações idênticas, podendo ser justificada principalmente pela teoria de microambiente no floco ou biofilme. Assim, em um único reator, sob condições controladas de oxigênio dissolvido (OD) e elevados tempos de residênciacelular épossível que ocorra a nitrificação e a criação de zonas anóxicas no interior dos flocos ou biofilme para a ocorrência da desnitrificação. Neste sentido, a tecnologia MBBR/IFAStem como característicaelevado tempo de residência celular do biofilme formado nos meios suporte presentes no reator. Deste modo, neste estudo avaliou-se a remoção de nitrogênio via SND em um sistema IFAS quando submetido a diferentes concentrações de OD e Tempo de DetençãoHidraulica de 5,5 e 11 horas, tratando efluente sanitário e efluente sintético. Os resultados experimentais demonstraram que pode ser possível desenvolver efetiva SND com concentrações de OD média de 1,0 mg.L-1 e 1,5 mg.L-1. Sendo que, foram obtidas eficiência média de remoção de NTde cerca de 68% e concentrações médias efluente de N-NH4 de aproximadamente 5,0 mg L-1, de N-NO3 inferiores a 4,5 mg L-1 e de N-NO2 em torno de 0,1 mg L-1, e com eficiência média de remoção DQO solúvel acima de 90%, quando empregado efluente sintético. Ademais, por meio da avaliação da emissão de Óxido Nitroso (N2O), foi possível comprovar que a desnitrificação ocorreu de forma efetiva.

Eficiência de uso de nitrogênio pela cana-de-açúcar: diferenças genotípicas, preferência por amônio e emissão de N2O

O uso ineficiente do nitrogênio (N) é um problema global, que pode diminuir a sustentabilidade da produção agrícola da cana-de-açúcar para fins energéticos devido às emissões de N2O oriundas da fertilização nitrogenada. A eficiência de utilização de nitrogênio (EUN) tem sido pouco estudada em genótipos de cana-de-açúcar, o que pode ser preocupante devido a importância da cultura para o país. O objetivo desse estudo foi avaliar a EUN de genótipos de cana-de-açúcar, verificando se genótipos contrastantes tem preferência de absorção por amônio ao invés de nitrato, e checar se extratos radiculares de Brachiaria humidicola e Saccharum spontaneum aumentam a eficiência de utilização de N pela cultura. Para isso três experimentos foram desenvolvidos em condições controladas em casa-de-vegetação e câmara de crescimento. No primeiro deles, 18 genótipos foram submetidos a dois níveis de N: limitante (baixo N) e suficiente (alto N). Posteriormente, quatro genótipos selecionados quanto a EUN do primeiro experimento, foram cultivados em câmara de crescimento por 69 dias, onde receberam quantidades conhecidas de N-fertilizante marcado ou no 15NH4+ ou no 15NO3-, sendo avaliados 24 e 72 horas após a aplicação do fertilizante marcado. Um terceiro ensaio foi realizado, em que extratos radiculares de Brachiaria humidicola (BCH) e Saccharum spontaneum (SCS) foram aplicados ao solo com o intuito de verificar seu potencial como inibidor da nitrificação, comparando-os com a dicianodiamida (DCD), e seu efeito para o aumento do aproveitamento do N pela cana-de-açúcar. No experimento de EUN verificou-se grande variação entre os genótipos. Dos 18 genótipos avaliados, seis foram classificados como responsivos a N e eficientes na utilização de N, três foram não eficientes e responsivos; dois foram eficientes e não responsivos, e sete não eficientes e não responsivos. Esse resultado comprova que a recomendação da adubação nitrogenada pode realmente estar pouco precisa, pois não leva em consideração a EUN de cada genótipo, sendo realizada uma aplicação genérica. As medições de fotossíntese mostraram que os genótipos mais eficientes na utilização do N, não necessariamente possuem as taxas fotossintéticas mais elevadas, estando a EUN diretamente relacionada à quantidade de raízes das plantas. No segundo trabalho, verificou-se que o N na planta proveniente do fertilizante (NPPF), 72 horas após a aplicação do N, foi 36% menor quando a fonte marcada foi NO3-, atestando que a cana-de-açúcar tem preferência de absorção por amônio em relação ao nitrato nos primeiros dias após a adubação nitrogenada. Por fim, os resultados do terceiro ensaio mostraram que a aplicação de sulfato de amônio (SA), associado ao inibidor sintético DCD, manteve os valores de N-NO3- baixos ao longo de todo período de avaliação (durante 60 dias), enquanto que com SA, SA+BCH e SA+SCS houve um aumento na concentração de nitrato no solo já a partir de 15 dia após a fertilização. O uso de DCD reduziu o fluxo médio de N2O durante o período de avaliação em relação ao uso isolado do fertilizante, o que não foi observado com o uso de extratos de raízes de Brachiaria humidicola e Saccharum spontaneum

Geochemical and Microbiological Studies of Nitrous Oxide Variations within the New NEEM Greenland Ice Core During the Last Glacial Period

Deep polar ice cores provide atmospheric records of nitrous oxide (N₂O) and other trace gases reflecting climate history along with a parallel archive of microbial cells transported with mineral dust, marine and volcanic aerosols from around the globe. Our interdisciplinary study of 32 samples from different depths of the recently drilled NEEM Greenland ice core addressed the question whether the identified microorganisms were capable of post-depositional biological production of N₂O in situ. We used high-resolution geochemical and microbiological approaches to examine the N₂O concentrations, the quantitative distributions of dust, Ca⁺², NH₄⁺ and NO₃⁻ ¡ons related to N cycle pathways, the microbial abundance and diversity at specific NEEM core depths from 1758 m to 1867.8 m. Results showed varying concentrations of N₂O (220 –271.5 ppb). Microbial abundance fluctuated between 3.3 x 10⁴ and 3.3 x 10⁶ cells mL⁻¹ in direct correlation with dust and Ca²⁺ concentrations with higher cell numbers deposited during colder periods. The average values of NH₄⁺ and NO₃⁻ indicated that substrates were available for the microorganisms capable of utilizing them. PCR amplification of selected functional genes involved in bacterial and archaeal nitrification and denitrification was not successful. Sanger and Illumina MiSeq sequence analyses of SSU rRNA genes showed variable representation of Alpha-, Beta- and Gammaproteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, chloroplasts and fungi. The metabolic potential of the dominant genera of Proteobacteria and Firmicutes as possible N₂O producers suggested that denitrification activity may have led to in-situ production and accumulation of N₂O.

Porewater and particulate geochemistry during Maria S. Merian cruise MSM17/4

We present sedimentary geochemical data and in situ benthic flux measurements of dissolved inorganic nitrogen (DIN: NO3-, NO2-, NH4+) and oxygen (O2) from 7 sites with variable sand content along 18°N offshore Mauritania (NW Africa). Bottom water O2 concentrations at the shallowest station were hypoxic (42 µM) and increased to 125 µM at the deepest site (1113 m). Total oxygen uptake rates were highest on the shelf (-10.3 mmol O2 /m2 d) and decreased quasi-exponentially with water depth to -3.2 mmol O2 /m2 d. Average denitrification rates estimated from a flux balance decreased with water depth from 2.2 to 0.2 mmol N /m2 d. Overall, the sediments acted as net sink for DIN. Observed increases in delta 15NNO3 and delta 18ONO3 in the benthic chamber deployed on the shelf, characterized by muddy sand, were used to calculate apparent benthic nitrate fractionation factors of 8.0 pro mille (15epsilon app) and 14.1 pro mille (18epsilon app). Measurements of delta 15NNO2 further demonstrated that the sediments acted as a source of 15N depleted NO2-. These observations were analyzed using an isotope box model that considered denitrification and nitrification of NH4+ and NO2-. The principal findings were that (i) net benthic 14N/15N fractionation (epsilon DEN) was 12.9 ± 1.7pro mille, (ii) inverse fractionation during nitrite oxidation leads to an efflux of isotopically light NO2- (-22 ± 1.9 pro mille), and (iii) direct coupling between nitrification and denitrification in the sediment is negligible. Previously reported epsilon DEN for fine-grained sediments are much lower (4-8 pro mille). We speculate that high benthic nitrate fractionation is driven by a combination of enhanced porewater-seawater exchange in permeable sediments and the hypoxic, high productivity environment. Although not without uncertainties, the results presented could have important implications for understanding the current state of the marine N cycle.

(Table T1) Permeabilities and bulk properties of ODP Hole 191-1179C

One of the objectives of drilling at Site 1179 was to search for microbes or biochemical evidence of microbial activity as part of the ongoing exploration of the depth and extent of the deep biosphere. The existence of living microbes has not been confirmed, but the chemistry of pore waters from the site, such as sulfate and ammonium profiles, is consistent with sulfate reduction and nitrification by anaerobic bacteria. However, chemical profiles are affected by the movement of molecules and ions through porous sediments by diffusion and advection. Permeability is thus an important consideration in the interpretation of pore water chemistry profiles. Moreover, diatomaceous sediments have some unique and, as yet, poorly understood physical properties. The purpose of this research is to measure hydraulic conductivity (permeability) in a suite of sediment samples from Ocean Drilling Program Site 1179 by the transient-pulse method. The sample set consists of four diatom ooze samples from Unit I, one radiolarian ooze sample from Unit II, and one pelagic clay sample from Unit III. The permeability of the clay is 1.92 µd, whereas the permeabilities of the overlying radiolarian and diatom oozes range from 289 to 1604 µd. Among these samples, permeability increases with porosity and grain size, in keeping with the results of previous studies.

The coupled trickling filter-activated sludge process : design and performance /

Mode of access: Internet.

Autotrophic denitrification using sulphur electron donors /

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A study of nitrate respiration in the activated sludge process /

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Note on the appearance of nitrous acid during the evaporation of water : A report of experiments made in the Rothamsted laboratory /

Reprinted from the Journal of the Chemical Society, May, 1881.