Resumen

Trabajo final de análisis instrumental. Christián Antonio Jiménez González José Iván Martínez Zúñiga Mario John Wong Roger

RESUMEN: Metodos simples que rápidamente detectan inhibición de la nitrificación son necesarios para hacer cumplir los programas de pretratamiento y evitar trastornos. El objetivo de este estudio fue demostrar un método rápido para medir la inhibición de la nitrificación mediante el uso de tasas de generación de nitrato (NGR pro sus siglos en ingles), junto con detección UV directa de los nitratos. Los NGRs se midieron con espectrofotometria UV a longitudes de onda entre 225 y 240 nm, sin manipulación química, y se verificó contra la cromatografía de iones. El método ha demostrado de manera rápida que puede medir con precisión las concentraciones de nitrato después de corregir la interferencia de nitrito. Se realizaron pruebas con cadmio, el hipoclorito y el 1cloro-24dintrobenzene (CDNB) para averiguar su capacidad de causar la inhibición de la nitrificación con este método. Se encontró q el CDNB causa una interferencia corregible con la prueba, mientras que el hipoclorito da una interferencia corregible. Water Environ. Res., 79, 808 (2007). INTRODUCCION Nitrificación ha resultado ser uno de los más delicados procesos de tratamiento de aguas residuales propensos a lo molesto de productos químicos industriales (Blum y Speece, 1991; Kelly et al. 2004; Tomlinson et al., 1966; Wood et al., 1981). Como la nitrificación se inhibe por choque imprevisto de las cargas industriales influyentes, los aumentos en los efluentes vertidos de amoniaco y el nitrógeno total se puede producir y provocar en una instalación de tratamiento limites superior a los límites de descarga. Esto puede prestar a fuertes multas y penas para la instalación y dejar el medio ambiente de las aguas abajo susceptibles a la toxicidad de amoníaco. Evidentemente, es muy importante tener acceso a métodos rápidos para la detección de inhibición de la nitrificación para identificar las fuentes responsables de aguas residuales o evitar lo molesto del proceso que tiene ante sí. Ocurra, si los métodos pueden ser desplegados en sentido ascendente. Actualmente inhibición de la nitrificación en las aguas residuales puede ser determinado por varios métodos como medidas respirometricas de tasa de absorción de oxígeno (Hu et al .. 2003; Tomlinson et al., 1966) y la tasa de generación de nitrato (NGR) (Gernaey et al., 1997; Kelly et al. 2004: Neufeld et al., 1986). Sólo la prueba de NGR proporciona una medida directa de la tasa de nitrificación, ya que mide la tasa de producción de nitrato, un producto único de Nitrificación. Sin embargo, un retroceso de utilizar NGR versus medidas

respírometricas es que la medición de los nitratos en las aguas residuales es mucho tiempo y puede ser más difícil de realizar. La mayoría de los métodos comúnmente aceptados para medir el nitrato incluyen métodos colorimétricos y cromatografía de iones (APHA et al., 1998). Análisis de iones de cromatografia puede ser lenta, y rara vez tienen utilidades de esta herramienta de fácil acceso. Análisis colorimétrico de nitratos implica reducción catalítica de nitrato a nitrito antes de detección que también es lento y genera residuos peligrosos. Electrodos selectivos de iones de nitrato parecen ser mas útil, porque proporcionan mediciones rápidas, lamentablemente, la derivación de concentración puede ocurrir cuando se utilizan en las muestras de aguas residuales, dando lugar a frecuentes sonda recalibración (Pedersen et al., 2002). Otra tecnología que puede utilizarse para la detección de nitratos es directa espectrofotometría UV sin manipulación química. Ultravioleta de detección de nitratos no es una nueva técnica y se ha utilizado para controlar rápidamente los nitratos en plena escala las instalaciones de tratamiento de aguas residuales (Chevalier et al., 2002 Neu. 1995). METODOLOGIA Descripción de la fuente Licor mezclado y tratamiento de la muestra. Plenamente mezcla de licor de nitrificantes se obtuvo en la mañana de cada experimento. Desde el Blacksburg-VPI instalación de tratamiento de aguas residuales en Stroubles Creek. Virginia. Licor mezcla muestras fueron tomadas directamente de la mezcla oxigenada cuencas y transportadas al laboratorio dentro de 20 minutos. Las muestras de licor mezclado fueron gasificados, mezclados magnéticamente , y continuamente alimentadas con una solución sintética de aguas residuales, tal como está descrita anteriormente (Kelly et al., 2004), para imitar el promedio de alimentación de carga en la Stroubles Creek instalación y para mantener una constante composición de la biomasa para los experimentos. El volumen total de la solución de alimentación utilizada fue inferior al 2% del volumen de la mezcla, para reducir al mínimo los cambios en las concentraciones de sólidos en suspensión a lo largo del experimento (8 a 10 horas). Esto fue confirmado por la medición de mezcla volátil de sólidos en suspensión (MLVSS) a varias veces durante el experimento. La generación de nitrato de ajuste mediante espectrofotometría UV: Para determinar el NGR de la licor mezclado de comunidad nitrificantes, 200 ml de mezcla se añadió a cada una de las dos de 300 ml las botellas de demanda bioquímica de oxígeno , para obtener mediciones duplicadas. Las botellas se mezclaron magnéticamente y fueron aireadas continuamente por la duración de la prueba NGR. Estos "reactores" de mezcla se enriquecieron con 20 mg / LN (NH4) 2SO4, de modo que la inicial NH4 +-N concentración está por encima de la media de saturación constante (KNH) para la nitrificación (normalmente 1 mg / LN [Grady et al. , 1999), para garantizar la medición de la máxima NGR. Una vez que el amoníaco se añadió, de 10 mL se tomaron muestras de cada botella cada 10 minutos durante 50 minutos. Las muestras fueron centrifugadas durante 3 minutos a 3400Xg, para que sedimenten los sólidos. El sobrenadante fue eliminado y se filtra a través de un 0,45-um filtro de nitrocelulosa para su análisis. A Beckman DU 640 UV / Vis

espectrofotómetro (Beckman Coulter Inc, Fullerton, California) se utilizó para el análisis de nitratos., Lecturas de absorbencia (cero contra el agua destilada) fueron adoptadas en una sola longitud de onda óptima entre 225 y 240 nm, decididos a ser la longitud de onda óptima basada en las lecturas de absorbancia pico el día del experimento. Las lecturas de absorbancia se compararon con una curva estándar, preparada como se describe a continuación. Las curvas de calibración de nitratos han sido desarrolladas por hacer estandares de nitrato en mezcla filtrada a través de un 0.45 pm-filtro en el día del experimento (O a 20 mg / L de nitratos es nuestro). Los estanderes se hicieron en mezcla a fin de que las interferencias en la matriz sería común, y, por tanto negado, entre las normas y las muestras. La concentración de nitratos de referencia de la mezcla se midió mediante cromatografía de iones, como se describe a continuación. Las cantidades conocidas en los estándares se calcularon sumando el de cromatografía de iones de referencia medido la concentración de nitratos en la cantidad conocida de los productos químicos añadió. Estándares luego fueron medidos para la absorbancia de la radiación ultravioleta, como se ha descrito anteriormente. Una parcela de concentración de nitratos versus absorbancia arrojó una curva lineal estándar para que una regresión lineal se realizó (mejor ajuste determinado por el análisis de mínimos cuadrados, Sigma Plot 8,0 [Systat Software Inc, San José, California]), y las concentraciones de nitrato en incógnitas son calculada a partir de las lecturas de absorbancia. Dado se encontró que el nitrito interfiere con la determinación de UV de nitrato, se midieron las concentraciones de nitrito y se sustrayo de la UV-determinado de nitrato de lecturas. Concentraciones de nitrito para cada una de las muestras se determinó calorimetrically, según el método 4110 B de la norma métodos (APHA et al., 1998), y analizados mediante el Beckman DU 640 UV / Vis espectrofotómetro. Estas concentraciones se convertirá, entonces, lo absorbancia de la elaboración de un nitrito UV curva estándar de la misma manera que se describe a continuación, el nitrito. La absorbancia de la radiación ultravioleta nitrito resultó ser lineal con Sigma Parcela 8,0 e independiente de la concentración de nitratos. La absorbancia asociados con nitrito se resta del total de las lecturas de absorbancia para cada muestra para obtener una lectura de absorbancia de nitrato. El nitrato de lecturas de absorbancia se convertirá, entonces, a las concentraciones de nitrato nirate utilizando la curva estándar. Para determinar el NRG, las concentraciones de nitrato calculadas se trazó con el tiempo para un determinado reactor. El pendiente de esta curva (mejor ajuste determinado por el análisis de mínimos cuadrados, Sigma Plot 8.0) dio la concentración de nitratos generado con el tiempo. Esto se normalizó a las MLVSS concentración para dar la NRG, en miligramos de nitrógeno por minuto por gramo MLVSS (mg-N/min-g MLVSS). La determinación de inhibición de la nitrificación mediante la la tasa de generación de nitrato El método espectrofotométrico de UV se evaluó como una base para la determinación de inhibición de la nitrificación usando las

siguientes tres diferentes inhibidores químicos: cadmio; de 1chloro-2, 4 dinitrobenzene (CDNB), y el hipoclorito. Reactores Inhibidos o "conmocionados" fueron preparados por la adición de diferentes concentraciones de los químicos contaminantes para producir NRG inhibited. Reactores de Control, para que no se ha añadido contaminante sirvieron de base para las comparaciones. Pruebas de tasa de generación de nitrato fueron duplicadas, según el método mencionado arriba. Ecuación 1 se uso para calcular el porcentaje de inhibición causados por cada concentración de un contaminante dar.

Percent inhibition =

NGRcontrol − NGRinhibido × 100 NGRcontrol

Procedimientos analíticos.: Sólidos en suspensión de la mezcla (MLVSS) y MLVSS se medio en doble en virtud de los artículos 2540 y 2540 D, E, de métodos estándar (APHA el al, 1998). Las muestras de nitrato y nitrito se analizaron mediante espectrofotometría UV o bien, como se describe más arriba o cromatografía de iones. Para el análisis de cromatografía de iones, se tomaron muestras de la mezcla y se centrifugó a 3400xg durante 2 minutos. El sobrenadante fue filtrado a través de un 0,45 - μ m filtro de nitrocelulosa y almacenados a 20 ° C durante no más de 28 días antes de su análisis. De nitrato y nitrito se AS14 anión cromatografía (Dionex, Sunnyvale, guardia de la columna. Muestras fueron transportista en un eluyente de 3,5 μ M Na3CO3 y 1,0 mm NAHCO2 Resultados y discusión La precisión y sesgo de este método fue determinado según “Estándar Methods” sección 1040 B (APHA es al. 1998) usando 7 repeticiones de varios diferentes soluciones estanderes. Para las pruebas de validación del método, curvas estándares fueron desarrolladas 229 y 235 nm, que fueron las longitudes de onda usadas para todas las pruebas. A 229 nm, la precision no sobrepasó -0.3 mg N/L, ni para 7.1 o 26.1 mg N/L nitrato. Para la prueba de 235-nm, la precisión y sesgo para las dos concentraciones no sobrepasaron 0.10 y 0.09 mg N/L respectivamente. La precisión y sesgo mas bajo obtenido a 235 nm puede ser causado por un coeficiente de correlación elevado para los datos ajustado a una recte lineal. La elevada concentración de a 235 nm resultó por una absorbancia mas baja para una concentración de nitratos dada, que significaba que el valor obtenido a 229 nm solo era linear hasta una concentración de nitrato de aproximadamente 25 to 30 mg/L. Limites de deteccion para determinación U.V. de nitrato en agua en agua residuales han sido documentado anteriormente en un rango de 0.1 a 25 mg/L nitrato-N, pero porque el matriz de agua residuales usado como solvente para los estándares

Determinación de longitud de onda óptima: Utilizando un escaneado de la longitud de onda , la longitud de onda óptimas para la detección de nitrato en aguas residuales resulto ser 229 nm. Se realizaron escaneados por cada lectura de absorbancia I entre 200 nm y 300 nm utilizando filtrada (0,45 μ m-nitrocelulosa filtro) mezcla que se enriqueció con concentraciones conocidas de nitrato. Las concentraciones de nitratos para estos estándares se midieron también en la mezcla filtrada mediante cromatografía de iones, de modo que la concentración exacta podría ser conocida por los escaneos. Después de examinar los escaneados de diversas mezcla de muestras y las concentraciones de nitrato, un óptimo rango de longitud de onda de 225 a 240 nm se utilizó para examinar la linealidad de nitrato de absorbancia. Las curvas estándares desarrolladas por varias longitudes de onda entre 225 y 240 nm se compararon para (1) de bondad de ajuste, medidos con los valores R2; (2) la capacidad de proporcionar regresiones reproducible a lo largo de varios días con las normas recién preparada, y (3) la capacidad de mantener un alto absorbancia y resolución de nitrato (Figura 1). Al proporcionar el mejor partido a los criterios mencionados, 229 nm fue elegido como la longitud de onda a utilizar para la mayoría de determinaciones de nitrato de UV. Todas las curvas de calibración para los nitratos fueron desarrolladas utilizando esta longitud de onda, con las excepciones que se mencionan a continuación. Nitrito de interferencia. Nitrito en la mezcla da una interferencia corregible a las mediciones de nitrato de radiación UV que se descubrió cuando la exactitud de la UV método para la detección de nitrato se controlo mediante cromatografía de iones. El chequeo reveló que el método UV sobre estimo la concentración de nitratos de hasta un 40% cuando el nitrito-N estuvo presente en concentraciones tan bajas como 2 mg / L (datos no presentados). Como nitrito se mide también mediante espectrofotometría UV (Chevalier et al., 2002; Ferree y Shannon, 2001; Thomas et al.; 1996), se llevaron a cabo experimentos que demostraron que incluso bajas concentraciones de nitritos siempre importante absorbancia dentro de la misma longitud de onda que se midió nitrato (datos no presentados). Además, las mediciones de absorción mostraron que el nitrito de absorbancia es lineal y aditivo en la misma longitud de onda como los nitratos. Debido a estas propiedades, absorbancia de nitrito se resta del total de las lecturas de absorbancia a dar la absorbancia neto indicativo de sólo la concentración de nitratos. Después de corregir las lecturas de absorbancia de nitrito, las comparaciones de mediciones de la radiación ultravioleta a cromatografía de iones medida mostraron resultados muy similares (tabla 1) indica que el nitrito corregido UV método proporciona mediciones exactas de nitrato. Inhibitoria compuestos de interferencias. Al someter a prueba la UV NRG método utilizando compuestos inhibitorios CDNB causo una interferencia corregible dentro del rango la longitud de onda. La interferencia medida de CDNB se encontró cuando cadmio, cloro, y CDNB fueron examinados para cada absorbancia en el rango ultravioleta utilizado para medir el nitrato de completar antes de llevar a cabo pruebas de inhibición utilizando el método UV.

De los tres compuestos examinados, sólo CDNB absorbida en el rango de longitud de onda utilizada para las mediciones de nitrato. este se esperaba, como otros han utilizado spectrofotometira de UV para analizar la presencia, tipo y concentración de compuestos aromáticos (Dixt y Ram, 1996; Touraud te al., 1998). Aunque CDNB interferido en la medición de la longitud de onda, nitrato de lecturas podría corregirse restando la absorbancia resultante de la concentración añadida de CDNB. El único cambio para el método UV original era que la longitud de onda óptima para una respuesta lineal de nitrato de lecturas se pasó de 229 a 235 nm como un resultado de la absorbancia adicionales causados por CDNB (datos no presentados). Esto demuestra que otros compuestos orgánicos que absorben luz a un grado moderado en la gama de análisis utilizados para medir el nitrato debe ser corregida, mediante un protocolo similar. A pesar de hipoclorito de no interferir directamente con la de determinación UV de nitrato, en los resultados medidos por cromatografía de iones no se encontró una coincidencia . Toxinas que reaccionan con la materia orgánica, como el cloro, son problemáticas para el método UV NRG (datos no presentados). A partir de estos resultados, las técnicas de UV se utiliza para medir la inhibición con el cadmio y el CDNB, pero el análisis de cromatografía iónica, tuvo que ser utilizados para cloro. Cuando el método se utiliza para indicar el efecto de un determinado flujo de residuos en la nitrificación, la evaluación de los rectores de control que no recibió el flujo de residuos permite al usuario corregir las interferencias de cualquier embalado de la base matriz de aguas residuales utilizados como diluyente. Por ejemplo, bajar las temperaturas, la reducción de la alcalinidad y cambios de pH no causados por las toxinas que daría como resultado la disminución de las tasas de nitrificación también se observa en el control de reactores. Por otra parte la adición del flujo de residuos objeto de evaluación para abióticos nitrato estandares (en lo sucesivo, los controles abióticos) le permite a uno determinar si la matriz está generando un falso positivo concentración de nitratos (posiblemente como consecuencia de un falso negativo de inhibición de estimación). El uso de UV para medidas de tasa de generación de nitrato. Una vez que el método de UV para medir nitrato de NGR y detección de inhibición fue confirmado, experimentos realizados usando cadmiun y CNDB mostró que este método proporciona un método rápido y exacto para determinar inhibición de nitrificación. Esto se puede ver en la figura 2 , la cual muestra una curva de generación d e nitrato típico hecho para cadmium. Esta figur muestra el resultado para licor mezclado de control sin cadmium y con cadmium (30mg/L). Una curva típica de que fue desarrollada usando el método de UV NGR para cadmium se ve en figura 3. Como muestra estos resultados el método de UV NGR se puede usar para desarrollar curvas rápido para estudio de inhibición y predicción. Importancia del trabajo Legislación que gobierna descargas de ammonia y nitrógeno evidentemente lo hace importante tener métodos para detectar inhibición de nitrificación rápida y exacta. Estos métodos discutidos aquí dan una respuesta rapida y exacta en menos de 1.5 horas y usa instrumentación de análisis simples que se

encuentra en la mayoría de los laboratorios. Interferncia sde sustancias organicas puede ser corregidos. Usando este metodos los operadores en plantas de aguas residuales puede obtener la habilidad de reaccionar a problemas de nitrficacion y tomar medidias para minimizar los effectos.

Créditos Tliis trabajo se hizo en Virginia Tech (Blacksburg, Virginia), como paft de los requisitos para degrce Richard T. Kelly II. Primar / financiación para este proyecto fue proporcionada por el Agua Environnicnt Fundación de Investigaciones (Alexandria, Virginia), proyecto Ol-CTS-2, y parcial furiding se proporcionó a Richard T. Kelly piso a través de un Charles E. Via de becas. También queremos dar las gracias a M. Garland, M: Haré, A. Romine, J. Petruska, J. Smiley, Blacksburg y el saneamiento Áuthority personal por su ayuda en la realización de este trabajo. Subntittcd para mblication ¡¡O Marzo, 2005; reviscd manuscrito submined Auquxt 31,2006: acccpícd para publicarían 25 de septiembre de 2006. El deadliiie lo subntit Dixcuxsionx de ihis pcpcr i. <¡Octubre /.*>", 2007. Referencias American Public Hcallh Associalion; American Water Woiks Associntion; Water Environment Federation (1998) Métodos estándar para íl-e Examen de Waicr y aguas residuales, 20 ª ed.; América Puhlic Hcallh Associalion: Washington, DC Blum, DJW; Speccc, RE (1991) Á Datábase de la Química Ambiental Tcwiciiy lo Bacterias y lis Uso en Interspecies comparaciones y correlaciones. J. agua Pollut. Control. FCD., 63, 198-207. Chevalier, LR; Irwin, NC; Craddock, JN (2002) Evaluación de Inspcclra UV Analyzer. Convencionales de medición del agua y aguas residuales Parámetros. Adv. Environ. Res,, 6, 369-375. Dixit, L.; Lluvia, S. (1996) Desarrollo de un derivado espectroscópico UV