Ciclo del Nitrógeno

El ciclo del nitrógeno en QUAL2K es fundamental para entender la eutrofización y el balance de oxígeno. El modelo rastrea la transformación de nitrógeno orgánico en amonio, nitritos y nitratos, así como los procesos de nitrificación y denitrificación.

Transformaciones del Nitrógeno

El nitrógeno orgánico se degrada en amonio mediante la hidrólisis. Posteriormente, el amonio se oxida a nitrato en el proceso de nitrificación, el cual consume oxígeno disuelto:

\text{Oxidación NH}_4 = k_n \cdot [NH_4] \cdot f_{on}

Donde:

$k_n$ — tasa de nitrificación (día⁻¹)
$f_{on}$ — factor de limitación por oxígeno (adimensional)

Ciclo del Nitrógeno en QUAL2K

Nitrógeno Orgánico

El nitrógeno orgánico disuelto y particulado se descompone de forma progresiva y va liberando amonio, al tiempo que la fracción particulada se pierde por sedimentación hacia el lecho:

\frac{dOrgN}{dt} = -k_{hn} \cdot OrgN - v_{on} \cdot \frac{OrgN}{H}

Donde:

$k_{hn}$ — tasa de hidrólisis del nitrógeno orgánico (día⁻¹), que en la práctica se calibra entre 0.02–0.4
$v_{on}$ — velocidad de sedimentación de la fracción particulada hacia el lecho (m/d), habitualmente entre 0.001–0.1
$H$ — profundidad media efectiva del tramo (m)

Amonio (NH₄)

El amonio se produce por la hidrólisis del nitrógeno orgánico y se consume por nitrificación, es decir, por la oxidación que realizan las bacterias nitrificantes presentes en el agua:

\frac{dNH_4}{dt} = k_{hn} \cdot OrgN - k_n \cdot NH_4

Siendo el parámetro central:

$k_n$ — tasa de nitrificación, es decir, de oxidación bacteriana del amonio (día⁻¹), con valores típicos de 0.1–1.0

Nitrato (NO₃)

El nitrato es el producto final de la nitrificación y la forma más estable del nitrógeno inorgánico en el agua. Solo se pierde por desnitrificación, que ocurre en las zonas del cauce donde el oxígeno escasea:

\frac{dNO_3}{dt} = k_n \cdot NH_4 - k_i \cdot NO_3

La desnitrificación se representa con la tasa $k_i$ (día⁻¹), que en la práctica se calibra entre 0.0 y 0.5.

Parámetros de Calibración del Ciclo del Nitrógeno

Rangos de partida para la calibración

Proceso	Símbolo	Rango Típico	Factor Arrhenius (θ)	Unidad
Hidrólisis del nitrógeno orgánico	khn	0.02 – 0.40	1.047	día⁻¹
Sedimentación del nitrógeno orgánico particulado	von	0.001 – 0.10	—	m/d
Nitrificación del amonio (consume OD)	kn	0.10 – 1.00	1.083	día⁻¹
Desnitrificación en condiciones anóxicas	ki	0.00 – 0.50	1.047	día⁻¹
Relación estequiométrica de la nitrificación	ron	Valor fijo de 4.57	—	mg O₂ consumido / mg N oxidado

Implementación en el Motor Python

pythonkinetics.py — cinética del ciclo del nitrógeno

# N organico: hidrolisis hacia amonio mas sedimentacion de la fraccion particulada
khn = temp_correction(rates.get('khn', 0.02), 1.047, temp)
von = rates.get('von', 0)
loss_on = khn + (von / max(h, 0.01))
orgn_hydrolyzed = khn * conc[5] * dt
conc[5] *= math.exp(-loss_on * dt)

# Amonio NH4+: recibe el nitrogeno hidrolizado y se consume por nitrificacion bacteriana
kn = temp_correction(rates.get('kn', 0.1), 1.083, temp)
conc[6] += orgn_hydrolyzed
conc[6] *= math.exp(-kn * dt)

# Nitrato NO3-: se produce por nitrificacion y se pierde por desnitrificacion anoxica
ki = temp_correction(rates.get('ki', 0.0), 1.047, temp)
nh4_nitrified = kn * conc[6] * dt
conc[7] += nh4_nitrified
conc[7] *= math.exp(-ki * dt)