PRODUCCIÓN DE OXÍDO NITROSO EN ENSAYOS

PRODUCCIÓN DE OXÍDO NITROSO EN ENSAYOS

PRODUCCIÓN DE OXÍDO NITROSO EN ENSAYOS DESNITRIFICANTES VIA NITRITO
UTILIZANDO EFLUENTE DE PURÍN DE CERDO
Marisol Belmonte1, José Ramón Vázquez-Padín2, Mónica Figueroa2, José Luis Campos2,
Ramón Méndez2, Anuska Mosquera-Corral2 y Gladys Vidal1
1
Centro de Ciencias Ambientales EULA-Chile, Universidad de Concepción, Barrio
Universitario s/n, P.O. Box 160-C, Concepción, Chile. E-mail: [email protected]. 2 Escuela
Técnica Superior de Ingeniería (ETSE), Universidad de Santiago de Compostela, Rúa Lope
Gómez de Marzoa s/n, E. 15782, Santiago de Compostela, España.
ABSTRACT
The direct soil disposal of swine wastewater may produce nitrogen oxide emission as the
N2O, among others, that includes within the group greenhouse effect gases. The biological
nitrogen removal of swine wastewater, by means nitrification and denitrification processes is
an alternative to reduce greenhouse emission. The objective of this work is to evaluate
different variables effect on the denitrifying activity and N2O production using swine
wastewater and nitrite as substrate. A factorial design (23) for batch assays was performed.
The variance analyses for evaluating the different variables effect (e.g. pH: 7.5 and 9.0;
concentration of biomass: 1 and 3 g VSS/L; nitrogen concentration: 100 and 400 mg N/L;
ratio C/N: 0.32 and 0.64) in the denitrifying activity (DA) were done. DA activity was
influenced by the biomass and nitrite concentration and C/N ratio. In spite of that, the main
N2O production took place during the first hours of incubation (C/N ratio of 0.64) and biogas
was constituted mainly by N2.
Keywords: assays denitrification, N2O, swine wastewater.
1. INTRODUCCIÓN
El tratamiento y/o la disposición final del purín de cerdo, ha tenido como consecuencia la
emisión de óxido nitroso (N2O) a la atmósfera, debido a que este compuesto es
intermediario en los procesos biológicos de nitrificación y desnitrificación utilizados para la
reducción de compuestos nitrogenados (Choi, 2007; Drambreville et al., 2008). El N2O
caracterizado por ser un gas de efecto invernadero (GEI), 300 veces más potente que el
CO2 (dióxido de carbono), ha aumentado en un 8% durante los últimos años, contribuyendo
al incremento de GEI (Choi, 2007). La acumulación de N2O en la desnitrificación (reducción
del nitrato o nitrito a nitrógeno gas), está asociado principalmente a la relación C/N (Choi,
2007). Sin embargo, el poco conocimiento existente en relación a la producción de N2O
durante la desnitrificación vía nitrito para el tratamiento de la fase líquida del purín de cerdo,
y el efecto que tienen otras variables características de la desnitrificación convencional (e.g.
concentración de biomasa, pH, concentración de nitrito), empleando ensayos en
discontinuo, permiten evaluar de manera rápida la producción de N2O y la actividad
desnitrificante (Buys et al., 2000). De esta manera, el objetivo de este trabajo es evaluar el
efecto que tienen distintas variables en la actividad desnitrificante en discontinuo, y la
producción de N2O, utilizando como sustrato purín de cerdo y nitrito.
2. MÉTODOS
2.1. Efluente. Purín de cerdo proveniente de un plantel de engorda de cerdos, localizado en
Galicia (España). El purín se extrajo de un tanque de almacenamiento (constituido por:
sólidos suspendidos volátiles: 1,71 g SSV/L; demanda química de oxígeno total o DQOT: 5,0
g O2/L; demanda química de oxígeno soluble DQOS: 2,5 g O2/L; NH4+: 1,4 g NH4+/L; NO3-:
0,1 g NO3-/L).
2.2. Inóculo. La biomasa empleada para la realización de los ensayos se obtuvo de los
digestores de lodos anaeróbicos de una Estación Depuradora de Aguas Residuales urbanas
(EDAR), localizada en Galicia, España.
2.3. Ensayos de actividad desnitrificante. Para determinar los efectos del pH,
concentración de biomasa, concentración de nitrito y relación de C/N en la formación del
N2O durante la desnitrificación, se realizaron ensayos de actividades en discontinuo de
acuerdo a la metodología descrita por Buys et al. (2000). Estos ensayos consisten en medir
la sobrepresión generada por el nitrógeno gas producido durante la desnitrificación, en
viales cerrado de 110 mL de volumen de la fase líquida y 10 mL de volumen de la fase gas.
Cada botella fue inoculada con lodo, procedente de una EDAR y tampón fosfato (constituido
por 0,143 g/L de KH2PO4 y 0,747 g/L de K2HPO4). Para eliminar el oxígeno, las botellas
fueron gasificadas con helio durante 5 minutos y posteriormente incubadas en un sistema
termostatizado a 35ºC y a 150 rpm de agitación con el objetivo de alcanzar el equilibrio
térmico. Después de 30 minutos, se añadió a cada botella purín de cerdo y NaNO2 como
sustrato. Con un transductor de presión, se evaluó el biogás producido (mV) a través del
cambio de presión en relación a la producción de nitrógeno en el tiempo, de acuerdo a lo
descrito por Dosta et al., 2008. La actividad desnitrificante máxima (AD) fue expresada en
mg N/g SSV·d. La composición de la fase gas, fue analizada mediante cromatografía, y la
fase líquida mediante parámetros físico-químicos.
2.4. Aplicación de diseño factorial. Para evaluar el efecto de las distintas variables (e.g.
pH: 7,5 y 9,0; concentración de biomasa: 1,0 y 3,0 g SSV/L; concentración de N-NO2-: 100 y
400 mg N/L; relación C/N: 0,32 y 0,64), los experimentos fueron realizados aplicando un
diseño factorial de acuerdo a lo establecido en Box et al. (2005) y análisis de varianza (α:
0,1) para los resultados obtenidos (Lee et al., 2006). El modelo ajustado fue considerando
como respuesta la AD (yi) y el efecto de las variables (Xi) de manera individual y sus
respectivas interacciones (e.g. X1·2). Las condiciones experimentales para los distintos
diseños se muestran en la Tabla 1 y 2.
2.5. Métodos analíticos. La fracción líquida fue pre-tratada, centrifugando las muestras a
36000 rpm durante 10 minutos, y filtrada en membranas Gelman de 0,45 µm de tamaño de
poro. Parámetros como: demanda química de oxígeno o DQO (s: soluble), sólidos
suspendidos totales y volátiles (SST, SSV) fueron evaluados de acuerdo a Standard
Methods (APHA, 1985). Otros parámetros como carbono orgánico total (COT), carbono
inorgánico (CI) y carbono total (CT), fueron medidos a través de un analizador de carbono
marca Shimadzu modelo TOC-5000; amonio (N-NH4+), nitrito (NO2-) y nitrato (NO3-)
mediante cromatografía iónica equipo marca METROHM 861. La fase gaseosa, fue
analizado mediante un transductor de presión marca Centrepoint Electronics con rango 0-5
psi. La composición del biogás, en cuanto a N2, CO2, CH4, y N2O, fue analizado mediante
cromatografía gaseosa utilizando un equipo Hewlett Packard modelo 5890 serie II, dotado
de un detector de conductividad térmica (volumen de muestra inyectado: 1 mL).
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Actividad desnitrificante: diseño factorial 23. Para el diseño factorial 23, las variables
estudiadas fueron: pH (X1), concentración de biomasa (X2), concentración de nitrógeno
como nitrito (X3) y sus respectivas interacciones (X12, X13, X23, y X123). De acuerdo al análisis
de varianza de los datos obtenidos, la ecuación del modelo ajustado para la actividad
desnitrificante (Ecc. 1), presenta un r2 de 96%.
γ i = 197,32 - 26,19 χ1 + 44,24 χ 2 + 42,16 χ 3 - 25,41χ12 + 1,91χ13 + 34,94 χ 23 + 33,19 χ123 (Ec. 1)
De acuerdo al análisis de varianza, todas las variables estudiadas para este modelo, ya sea
de manera individual como sus interacciones son significativas (con valores >90%) en la AD,
a excepción de la interacción entre el pH y la concentración de nitrógeno como nitrito (X13),
que presenta sólo un 24,4% de significancia en el modelo. En relación a la producción de
N2O, este se produce durante las primeras 4 horas de incubación los ensayos, sobre todo a
bajas concentraciones de nitrógeno (100 mg N/L) (e.g. tratamiento 8: pH: 7,5 y
concentración de biomasa: 1,0 g SSV/L). Mientras que a pH de 9,0 y concentración de
biomasa de 3,0 g SSV/L a 100 mg N/L, la producción de N2O (tratamiento 5), aumenta a un
2,3% al finalizar los ensayos. La composición principal del biogás producido durante los
ensayos y a distintas condiciones corresponde a N2 (Tabla 3).
3.2. Actividad desnitrificante: diseño factorial 22. De acuerdo a los resultados anteriores,
y que la relación C/N es otra variable que en literatura se encuentra asociada a la AD (Choi,
2005), se realizó un nuevo diseño factorial, 22. Para este diseño las variables estudiadas
fueron la concentración de biomasa (X1), y la relación de C/N (X2), junto a sus respectivas
interacciones (X12). De acuerdo a los resultados del diseño anterior (interacción X13), estos
ensayos se realizaron manteniendo el pH en 7,5 y utilizando una concentración de nitrógeno
de 400 mg N/L. De acuerdo al análisis de varianza, la ecuación del modelo ajustado para un
mismo nivel de significancia (10%) para la AD (Ec. 2), se ajusta con un r2 de 78%.
γ i = 149,59 + 28,54 χ1 + 17,64 χ 2 − 21,36 χ12
(Ec. 2)
El análisis de varianza para el diseño factorial de 22, considera que la concentración de
biomasa es la variable que más influye en la actividad desnitrificante (nivel de significancia
95%), como en los resultados anteriores. Mientras que la relación C/N, y la interacción entre
estas dos variables presentan un nivel de significancia de 83 y 89%, respectivamente. La
producción de N2O se observa durante las primeras 4 horas de incubación, sobre todo en
los experimentos con relación C/N de 0,64. Al final del ensayo el N2O desaparece, siendo el
componente principal del biogás N2 (Tabla 4).
4. CONCLUSIONES
La AD en discontinuo vía nitrito, está influenciada principalmente por la concentración de
biomasa y concentración de nitrógeno como nitrito, como se observa en el diseño factorial 22
(nivel de significancia: >90%). Mientras que el pH utilizado para estos ensayos (7,5 y 9,0),
influyen en la AD de manera individual y al interaccionar con la concentración de biomasa
(nivel de significancia >99%) pero no, al relacionarla con la concentración de nitrógeno (nivel
de significancia 24%). La variable concentración de biomasa, es la que más influyen en la
AD (nivel de significancia 95%) como se observa en el diseño factorial 22, mientras que la
relación C/N y la interacción de esta variable con la biomasa, influyen en la actividad en
menor nivel (83 y 89%, respectivamente). Sin embargo, en ambos diseños factoriales la
mayor producción de N2O se produce durante las primeras horas de incubación, siendo la
relación C/N igual a 0,64 la variable que más influye. Aunque para ambos casos el biogás
está constituido principalmente por N2.
5. AGRADECIMIENTOS
Proyecto TPI-01 (Programa Bicentenario Ciencia y Tecnología-CONICYT); Programa
Pasantías Doctorales en el Extranjero BECAS-Chile (2009); FONDECYT: 1090414 and
INNOVA Bio Bio código 07-PC S1-198.
6. REFERENCIAS
- APHA-AWWA-WPCF (1985). Standard Methods for Examination of Water and Wastewater.
16th Ed. Washington.
- Buys B.R., Mosquera-Corral A., Sánchez M. and Méndez R. (2000). Development and
application of a denitrification test based on gas production. Water Science and Technology,
41(12), 113-120.
- Choi E. (2005). Piggery waste management. IWA Publishing, London, UK.
- Dosta J., Fernández I., Vázquez-Padín J.R., Mosquera-Corral A., Campos J.L., MataÁlvarez J. and Méndez R. (2008). Short- and long-term effects of temperature on the
Anammox process. Journal Hazardous Material, 154, 688-693.
- Drambreville C., Morvan T. and Germon J.-C. (2008). N2O emision in maize-crops fertilizad
with pig slurry, matured pig manure or ammonium nitrate in Brittany. Agriculture, Ecosystems
and Environment, 123, 201-210.
- Estadística para investigadores. Introducción al diseño de experimentos, análisis de datos
y construcción de modelos (2005), Box G.E.P., Hunter W.G. and Hunter J.S. Eds., Editorial
Reverte, Barcelona, España.
- Lee I.H., Kuan Y.-C. and Chern J.-M. (2006). Factorial experimental design for recovering
heavy metals from sludge with ion-exchange resin. Journal of Hazardous Materials, B138:
549-559.
Tabla 1. Variables elegidas y sus valores para el diseño factorial 23.
Tratamiento
Condiciones
Biomasa (g SSV/L)
N-NO2-(mg N/L)
3,0
400
3,0
400
1,0
400
1,0
400
3,0
100
3,0
100
1,0
100
1,0
100
pH
9,0
7,5
9,0
7,5
9,0
7,5
9,0
7,5
1
2
3
4
5
6
7
8
Tabla 2. Variables elegidas y sus valores para el diseño factorial 22.
Tratamiento
Condiciones
Biomasa (g SSV/L)
N-NO2- (mg N/L)
1,0
0,32
3,0
0,32
1,0
0,64
3,0
0,64
1
2
3
4
Tabla 3. Composición del biogás a diferentes horas de incubación.
Tr
AD*
1
2
3
4
5
6
7
8
115,4 ± 9,1
176,4 ± 20,0
251,2 ± 9,3
77,8 ± 3,5
192,4 ± 39,5
128,3 ± 0,0
335,2 ± 17,1
302,2 ± 46,1
4h
a
98,3
99,3
99,1
99,2
95,2
98,4
91,5
96,8
b
0,4
0,3
0,6
0,4
1,2
0,4
2,3
0,8
c
1,1
0,4
0,3
0,4
3,1
0,9
5,7
1,2
Composición del biogás (%)
8h
d
a
b
c
d
a
0,2
99,4 0,3 0,3
-99,7
0,0
99,7 0,2 0,1
-99,7
0,0
96,3 1,2 2,6
-97,3
-99,7 0,2 0,1
-99,3
0,6
93,8 1,2 3,7 2,0 94,3
0,3
98,7 0,7 0,6
-99,7
0,5
86,3 4,6 8,8 0,3 91,6
1,2
99,6 0,4 0,1
-99,6
24 h
b
c
0,2 0,1
0,2 0,1
0,7 1,9
0,7 0,1
0,8 2,5
0,2 0,1
2,8 5,3
0,1 0,1
d
----2,3
0,0
0,3
0,2
(*) AD expresado en mg N/g SSV·d; (a): N2; (b): CH4: (c): CO2; (d): N2O.
Tabla 4. Composición del biogás a diferentes horas de incubación.
Tr
AD*
4h
1
2
3
4
82,1 ± 11,0
181,9 ± 22,1
160,1 ± 37,7
174,4 ± 38,4
a
99,8
98,8
96,6
96,9
b
-----
c
0,2
0,2
0,8
0,6
Composición del biogás (%)
8h
d
a
b
c
d
a
0,0
99,9
-- 0,1 0,0 99,9
1,8
99,2
-- 0,1
-- 99,9
2,7
98,9
-- 0,5 0,6 99,9
2,4
98,5
-- 0,4 1,1 99,9
(*) AD expresado en mg N/g SSV·d; (a): N2; (b): CH4: (c): CO2; (d): N2O.
24 h
b
c
0,1 0,0
-0,0
-0,0
-0,0
d
--0,1
0,1