Caracterización cinética de la eliminación simultánea de p-cresol y amonio por un lodo desnitrificante Public Deposited
El presente trabajo aporta información metabólica, cinética y contribuye al entendimiento del comportamiento de un consorcio anaerobio estabilizado bajo condiciones desnitrificantes, durante la eliminación de amonio, nitrito/nitrato y p-cresol. El amonio es uno de los compuestos nitrogenados más frecuentes en las aguas residuales y suele oxidarse hasta N2 por la nitrificacióndesnitrificación de forma secuenciada y de modo directo por medio de la oxidación anaerobia (anammox). Actualmente, se está optando por el acoplamiento de la nitrificación-desnitrificación vía nitrito, por las posibles ventajas: 1) bajo consumo energético (baja aireación), 2) baja producción de lodos, 3) altas velocidades desnitrificantes con materia orgánica de fácil oxidación. Poco se sabe del proceso de óxido-reducción del nitrito y un compuesto fenólico, como el pcresol, así como el de la oxidación anaerobia de amonio hasta N2 bajo condiciones desnitrificantes. El proceso o los procesos respiratorios observados en este trabajo se evaluaron a través de variables de respuesta como: eficiencias de consumo, rendimientos de producto, así como las velocidades específicas tanto de consumo como de producción. Los aspectos inhibitorios se determinaron a través de la ecuación de Haldane. En cultivos en lote, se evaluó la capacidad metabólica de un lodo desnitrificante fisiológicamente estable, para oxidar el amonio y el p-cresol, empleando el nitrito como aceptor final de electrones. A una concentración inicial de 50 mg N-NH4 + /L y 76 mg N-NO2 - /L, el lodo desnitrificante consumió ambos sustratos, siendo el N2 el producto principal (YN2 de 0.88 ± 0.03). Los resultados mostraron que el lodo desnitrificante fue metabólicamente capaz de oxidar bajo condiciones anaerobias el amonio hasta N2. Posteriormente, se evaluó el lodo en presencia de pcresol, amonio y nitrito, esto es, bajo órgano-litotrofía. Los resultados experimentales indicaron que el lodo desnitrificante mineralizó el p-cresol, y óxido el amonio hasta N2 acoplado a la reducción de nitrito. Este es posiblemente el primer trabajo donde se observa la oxidación simultánea de amonio y p-cresol con la producción de N2, empleando un lodo bajo condiciones desnitrificantes órgano-litotróficas. En otra etapa, con cultivos en lote, se evaluó la conducta metabólica y cinética del lodo desnitrificante en presencia de diferentes concentraciones iniciales de p-cresol, (10 a 65 mg/L), con nitrito a una concentración de 85±2 mg N/L como aceptor de electrones. La reducción del nitrito se acopló a la oxidación del p-cresol a las concentraciones de 10 a 45 mg/L, y la velocidad específica de consumo de nitrito incrementó de 3.10 ± 0.11 a 7.02 ± 0.23 mg N-NO2 - / g SSV h. Los productos finales fueron, CO2 y N2. A concentraciones mayores que 45 mg/L de p-cresol, se observó una inhibición que se reflejó en una disminución la velocidad específica de consumo de nitrito de 6.80 a 1.60 mg N-NO2 - / g SSV h. Un balance de electrones sugirió que el consumo de pcresol se llevó a cabo por dos procesos biológicos: desnitrificación y fermentación, y los productos finales fueron N2 y acetato. El perfil cinético se ajustó al modelo de Haldane, obteniéndose una constante de inhibición (ki) de 35.75 mg p-cresol/L, una constante de afinidad (Ks) de 20.32 mg p-cresol/L y una velocidad de consumo específica de nitrito (qmax) de 9.48 mg NNO2 - /g SSV h. En una etapa final, y también con cultivos en lote, se evaluó la oxidación de p-cresol y amonio, en presencia de nitrato. Inicialmente el p-cresol se acopló a la reducción de nitrato, produciéndose transitoriamente nitrito y posibles compuestos orgánicos de tipo fenólico. Posteriormente el consorcio desnitrificante empleó el nitrito como agente oxidante para la oxidación de amonio hasta N2. En términos globales, el p-cresol se consumió completamente y se mineralizó en un 65%, mientras el amonio y nitrato se consumieron en un 83 y 92%, respectivamente. Las condiciones iniciales propiciaron la acumulación transitoria de nitrito, permitiendo la oxidación anaerobia de amonio y la desnitrificación de tipo organotrófica, promoviéndose la eliminación simultánea de p-cresol, amonio y nitrato. Se identificó un intermediario carbonado que detuvo transitoriamente el proceso respiratorio de la desnitrificación. Los resultados experimentales proporcionaron información relevante que debería ser considerada cuando se definan estrategias para el diseño y operación de plantas de tratamiento de aguas residuales contaminadas con amonio, nitrato/nitrito y compuestos fenólicos.
The present work provides metabolic and kinetic understanding of an anaerobic consortium under denitrifying conditions, and during ammonium, nitrite/nitrate, and p-cresol removal. The major nitrogenous compound in wastewaters is ammonium, and it is usually oxidized into N2 by nitrification-denitrification, or directly by means of anaerobic ammonium oxidation (Anammox). Currently, scientific community is opting for the coupling of nitrification- denitrification via nitrite, owing to the following advantages: 1) low energy requirement (low aeration), 2) low sludge production, 3) and high denitrifying rates reported with organic matter of easily degradation. However, the understanding about the redox process of nitrite linked to p-cresol is scarce, as well as the anaerobic ammonium oxidation into N2 under denitrifying conditions. The respiratory process or processes that coexisted in the batch cultures were evaluated through response variables such as; consumption efficiencies, product yields and specific rates. On the other hand, the inhibitory aspect was determined by Haldane equation; mathematical model of inhibition by substrate. In the first part, the metabolic capability of denitrifying sludge to oxidize ammonia and p-cresol, using nitrite as terminal electron acceptor was evaluated in batch cultures. At initial concentration of 50 mg NH4 + -N/L and 76 mg NO2 - -N/ L, the denitrifying sludge consumed both substrates, being the main product, N2 (YN2 of 0.88 ± 0.03). These results showed that the denitrifying sludge showed metabolic capacity to oxidize ammonium up to N2. Subsequently, the metabolic aspect of the sludge was evaluated in presence of p-cresol, ammonium and nitrite. The experimental results showed that the denitrifying sludge mineralized p-cresol, and ammonium was biotransformed up to N2; both substrates were coupled to nitrite reduction. This is the first study which reports the simultaneous oxidation of ammonium and p-cresol with the production of N2, using a stabilized sludge under litho-organotrophic denitrifying conditions. In another phase, in batch cultures, the metabolic and kinetic behavior of the denitrifying sludge was evaluated in presence of different initial p-cresol concentrations, ranging from 10 to 65 mg/L. Nitrite was used as terminal electron acceptor, at concentration of 85 ± 2 mg N/L. Over the range from 10 to 45 mg p-cresol-C/L tested, nitrite reduction was linked to p-cresol oxidation and the specific rate increased from 3.10 ± 0.11 to 7.02 ± 0.23 mg NO2 − -N/g VSS h, with CO2 and N2 as end products. At higher initial p-cresol concentrations tested (above 45 mg/L), inhibition was observed, diminishing the specific rate from 6.8 to 1.60 mg NO2 - -N/ g VSS h. Electron balance showed that p-cresol consumption was carried out by two biological processes: denitrification and fermentation, and the end global products were N2 and acetate. The kinetic profile followed the Haldane model, with inhibition constant (Ki) of 35.75 mg p-cresol/L, affinity constant (Ks) of 20.32 mg p-cresol/L and maximum specific nitrite reduction (qmax) of 9.48 mg NO2 − -N/ g VSS h. In a final phase, also in batch cultures, the oxidation of p-cresol and ammonium in presence of nitrate was evaluated. At the beginning, p-cresol was linked to nitrate reduction, transiently producing intermediates like nitrite and phenolic compunds. Afterward, the denitrifying sludge used nitrite as oxidizing source for ammonium oxidation into N2. In global terms, p-cresol was totally consumed and it was mineralized at 65%; whereas ammonium and nitrate were consumed at 83 and 92%, respectively. Initial environmental conditions promoted nitrite accumulation, allowing the anaerobic ammonium oxidation and organotrophic denitrification, with simultaneous removal of p-cresol, ammonium and nitrate. Phenolic intermediate was identified which stopped transiently the respiratory process of denitrification. Finally, this research provided essential information that should be considered when defining strategies for the design and operation of wastewater treatment plants polluted with ammonium, nitrate/nitrite and phenolic compounds.
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