Efecto inhibitorio del sulfuro sobre los procesos amonio y nitrito oxidantes de la nitrificación - Bejarano Ortiz, Diego Ivan (Universidad Autónoma Metropolitana, 2015)
A wide variety of industrial wastewaters may contain very high concentrations of nitrogen and sulfur compounds. These effluents without treatment cause massive discharges of ammonium and sulfide causing pollution and eutrophication. The biological treatment by nitrification is widely used for removing ammonium from wastewaters; however, information on the inhibitory effect of sulfide on the nitrifying process is still very scarce. To understand better the effect of sulfide on nitrification, physiological and kinetic studies were carried out in batch systems and in a sequencing batch reactor (SBR) inoculated with biomass with previous stabilized ammonium and nitrite oxidizing activity. Batch cultures were performed with a nitrifying sludge coming from a continuous stirred tank reactor at steady state. In this reactor, an ammonium uptake efficiency (ENH4+) of 99.1 ± 5.1 % and a nitrate production yield (YNO3-) of 0.95 ± 0.05 g NO3 - -N/g NH4 + -N consumed were obtained. In batch cultures without sulfide, the nitrifying process was carried out successfully under the experimental conditions used, obtaining after 24 h, an ENH4+ of 100.0 ± 2.1 % and a YNO3- of 0.90 ± 0.01. When sulfide was added at initial concentrations of 3.1 ± 0.2, 6.4 ± 0.5, 13.5 ± 0.7, 52.0 ± 2.6 and 112.0 ± 2.5 mg HS- -S/L, specific rates decreased by 51 to 92 % for ammonium consumption and by 77 to 97 % for nitrate production, evidencing the inhibitory effect of sulfide on the ammonium and nitrite oxidation processes. At sulfide concentrations lower than 13.5 mg S/L, ENH4+ was maintained at 100% after 60h. At sulfide concentrations ranging from 3.1 to 112.0 mg S/L, the YNO3- decreased from 0.9 to 0.3 due to an accumulation of nitrite. The IC50 value for ammonium and nitrite oxidation was 2.6 ± 0.3 and 1.2 ± 0.2 mg HS- -S/L, respectively, showing that sulfide affected mainly the nitrite oxidizing process. Then, in independent batch activity assays performed with ammonium and nitrite as substrate and without sulfide, substrate affinity constants: Ks,NH4+ = 2.41 ± 0.11 mg N/L and KS,NO2 = 0.74 ± 0.03 mg N/L, and maximum specific rates: qmax,NH4 = 0.086 ± 0.008 and qmax,NO2 = 0.124 ± 0.001 mg N/mg microbial protein.h were determined. It was shown that inhibition of ammonium oxidation by sulfide was nocompetitive with an inhibition constant Ki,NH4 of 2.54 ± 0.12 mg S/L while inhibition of nitrite oxidation was mixed, with a competitive inhibition constant K’i,NO2 of 0.22 ± 0.03 mg S/L and a no-competitive inhibition constant Ki,NO2 of 1.03 ± 0.06 mg S/L. Results show that sulfide is a strong inhibitor of ammonium and nitrite oxidizing processes, nitrite oxidation being the most sensitive process to the presence of sulfide. Then, its presence in nitrification systems should be avoided to prevent accumulation of nitrite. By using the kinetic constants and the inhibition model, the effect of sulfide addition was simulated in a continuous nitrifying reactor under steady-state operation. It was shown that the maximum sulfide concentration that the sludge can tolerate without affecting the ammonium consumption efficiency and nitrate yield is 1 mg HS- -S/L. Later, a nitrification process was stabilized in a SBR reactor, reaching a ENH4+ of 100 ± 3.1 % and a YNO3- of 0.99 ± 0.06. The nitrifying ability of the consortium and the sulfide oxidation were evaluated throughout the operation cycles of the reactor fed with sulfide at different concentrations: 2.5, 5.0, 7.5, 10.0, 15.0 and 20.0 mg HS- -S/L. Up to 10 mg S/L (20 mg S/L.d), the nitrifying process was stable with values of ENH4+ of 100% and YNO3- of 0.95. At higher sulfide concentrations of 15 and 20 mg S/L, the majority of ammonium was consumed but an accumulation of nitrite was observed and consequently the nitrate yield decreased. However, during the feeding periods at 15 and 20 mg S/L, the nitrite yield was decreasing throughout the operation cycles and the nitrate yield increasing, obtaining in the last cycle fed with 20 mg S/L (corresponding to 40 mg S/L.d), an ENH4+ of 100 %, a YNO2- of cero and a YNO3- of 0.8. At the beginning of each feeding step at a new sulfide concentration, specific rates of ammonium consumption and nitrate formation were strongly decreased but these rates newly increased along the cycles. This decrease in the nitrification inhibition by sulfide in a system operated as sequencing batch showed that the sludge acquired a metabolic adaptation, suggesting that the use of nitrifying sludge in SBR reactors can be a good alternative for treating effluents contaminated with ammonium and inhibitory compounds such as sulfide. At the end of the feeding period at 20 mg S/L, the qNH4+ was only decreased by 19% respect to its value obtained in the control reactor without sulfide addition whereas the qNO3- decreased by 55%, showing that in spite of the decrease in the inhibitory effect along the cycles, sulfide kept exerting inhibition on nitrification, being the nitrite oxidation process the most affected. At the higher sulfide concentrations of 15 and 20 mg S/L, a lag phase for nitrite formation was observed during the kinetic profiles whereas ammonium was totally consumed, suggesting that sulfide might affect the activity of the hydroxylamine oxidoreductase enzyme inducing the accumulation of hydroxylamine in the culture. Velocities of sulfide oxidation in abiotic assays in comparison with biotic assays showed that the sludge acquired a sulfide oxidation capacity, which was increasing throughout the cycles. Results indicated that the use of consortia with a previously stabilized nitrifying activity in SBR reactors might constitute an alternative for eliminating simultaneously ammonium by nitrification and sulfide by sulfide oxidation.; Una gran variedad de aguas residuales industriales pueden contener concentraciones muy altas de compuestos nitrogenados y azufrados. Estos efluentes sin tratamiento previo ocasionan descargas masivas de amonio y sulfuro provocando contaminación y eutroficación. El tratamiento biológico por nitrificación es ampliamente utilizado para eliminar el amonio de aguas residuales, sin embargo la información sobre el efecto inhibitorio del sulfuro sobre el proceso nitrificante es todavía muy escasa. Para entender mejor el efecto del sulfuro sobre la nitrificación, se realizaron estudios fisiológicos y cinéticos en lote y en un reactor de lotes secuenciados (SBR) con biomasa con actividad amonio y nitrito oxidante previamente estabilizada. Se realizaron cultivos en lote inoculados con un lodo nitrificante proveniente de un reactor en continuo de tanque agitado en régimen estacionario. En este reactor, se obtuvo una eficiencia de consumo de amonio (ENH4+) de 99.1 ± 5.1% y un rendimiento de producción de nitrato (YNO3-) de 0.95 ± 0.05 g N-NO3 - /g N-NH4 + consumido. En los cultivos en lote sin sulfuro, el proceso nitrificante se llevó a cabo satisfactoriamente bajo las condiciones experimentales utilizadas, obteniendo después de 24 h, una ENH4+ del 100 ± 2.1 % y un YNO3- de 0.90 ± 0.01. Al añadir sulfuro a los cultivos nitrificantes a concentraciones iniciales de 3.1 ± 0.2, 6.4 ± 0.5, 13.5 ± 0.7, 52.0 ± 2.6 y 112.0 ± 2.5 mg S-HS- /L, las velocidades específicas disminuyeron entre 51 y 92 % para el consumo de amonio, y entre 77 y 97 % para la producción de nitrato, evidenciando el efecto inhibitorio del sulfuro sobre los procesos amonio y nitrito oxidantes. A concentraciones menores que 13.5 mg S/L, la ENH4+ fue de 100.0 % después de 60 h. A las concentraciones de sulfuro variando de 3.1 a 112.0 mg S/L, el YNO3- fue disminuyendo de 0.90 a 0.30 debido a una acumulación de nitrito en el cultivo. Los valores de IC50 fueron determinados de 2.6 ± 0.3 mg S-HS- /L para la amonio oxidación y de 1.2 ± 0.2 mg S-HS- /L para la nitrito oxidación, demostrando que el sulfuro afectó mayoritariamente el proceso nitrito oxidante. Posteriormente, en ensayos en lote independientes con amonio y nitrito como sustrato y en ausencia de sulfuro, se determinaron las constantes de afinidad del lodo para sus sustratos: Ks,NH4+ = 2.41 ± 0.11 mg N/L y KS,NO2- = 0.74 ± 0.03 mg N/L, así como las velocidades específicas máximas: qmax,NH4 = 0.086 ± 0.008 y qmax,NO2 = 0.124 ± 0.001 mg N/mg proteína microbiana.h. Se mostró que la inhibición de la amonio oxidación por el sulfuro fue del tipo no-competitiva con una constante de inhibición Ki,NH4 de 2.54 ± 0.12 mg S/L mientras que la inhibición de la nitrito oxidación fue del tipo mixta, con una constante de inhibición competitiva K’i,NO2 de 0.22 ± 0.03 mg S/L y una constante de inhibición no-competitiva Ki,NO2 de 1.03 ± 0.06 mg S/L. Los resultados muestran que el sulfuro es un fuerte inhibidor de los procesos amonio y nitrito oxidantes, siendo la nitrito oxidación más sensible a la presencia de sulfuro. Por lo tanto, su presencia debe de ser controlada en reactores nitrificantes en sistemas de tratamiento de aguas residuales para evitar la acumulación de nitrito. Utilizando las constantes cinéticas determinadas por el modelo de inhibición, se realizó una simulación del efecto de la adición de sulfuro a un reactor nitrificante en continuo y en régimen estacionario. Se determinó que la biomasa nitrificante podría tolerar hasta una concentración máxima de sulfuro de 1 mg S-HS- /L sin que se viera afectada la eficiencia de consumo de amonio ni el rendimiento de formación de nitrato. Posteriormente, se estabilizó un proceso nitrificante en un reactor SBR, obteniéndose una ENH4+ de 100 ± 3.1% y un YNO3- de 0.99 ± 0.06. A través de los ciclos de operación del reactor, se evaluó la capacidad nitrificante del consorcio, así como la oxidación del sulfuro en el SBR alimentado con sulfuro a diferentes concentraciones: 0 (98 ciclos), 2.5 (40 ciclos), 5.0 (102 ciclos), 7.5 (70 ciclos), 10.0 (86 ciclos), 15.0 (64 ciclos) y 20.0 (228 ciclos) mg S-HS- /L. Hasta 10 mg S/L (20 mg S/L.d), el proceso nitrificante se encontró estable con valores de ENH4+ del 100% y YNO3- de 0.95. A concentraciones mayores en sulfuro de 15 y 20 mg S/L, la mayoría del amonio entrante fue consumido, sin embargo se observó una acumulación de nitrito, y en consecuencia una disminución en el YNO3-. Sin embargo, se observó que a través de los ciclos de operación durante los periodos de alimentación con 15 y 20 mg S/L, el rendimiento de nitrito fue disminuyendo y el rendimiento de nitrato aumentando, obteniéndose en el último ciclo alimentado con 20 mg S/L (equivalente a 40 mg S/L.d) una ENH4+ del 100%, un YNO2- de cero y un YNO3- de 0.80. Las velocidades específicas de consumo de amonio y formación de nitrato al comienzo de cada etapa de adición de una nueva concentración de sulfuro se vieron fuertemente disminuidas pero al paso de los ciclos de operación, estas velocidades aumentaron de nuevo. Esta disminución del efecto inhibitorio del sulfuro sobre la nitrificación bajo un sistema de operación de lotes secuenciados mostró que el lodo presentó una adaptación metabólica en el SBR, lo cual sugiere que el uso de lodos nitrificantes en reactores SBR puede ser una buena alternativa para tratar efluentes con amonio y compuestos inhibitorios como el sulfuro. Al final del periodo de adición de 20 mg S/L, la qNH4+ sólo se vio disminuida de 19 % respecto a su valor en el reactor control sin adición de sulfuro mientras que la qNO3- se vio disminuida un 55 %, mostrándose que a pesar de la disminución de la inhibición a través de los ciclos, el sulfuro siguió afectando el proceso nitrificante siendo el proceso nitrito oxidante más afectado. A las concentraciones más altas ensayadas de 15 y 20 mg S/L, se registró una fase de retardo en la formación de nitrito en los perfiles cinéticos aunque el amonio fue consumido en su totalidad, esto podría sugerir que el sulfuro pudo afectar la actividad de la enzima hidroxilamina oxidoreductasa propiciando la acumulación de hidroxilamina en el cultivo. La comparación de las velocidades de oxidación de sulfuro en ensayos abióticos y bióticos mostró que el lodo adquirió una capacidad sulfuro oxidante, la cual fue en aumento a través de los ciclos. Los resultados indican que el uso de consorcios con actividad nitrificante previamente estabilizada en reactores SBR puede constituir una alternativa para eliminar simultáneamente amonio por nitrificación y sulfuro por sulfuro oxidación.