FUNDAMENTOS BIOL FUNDAMENTOS BIOL Ó Ó GICOS GICOS Ecolog Ecolog í í a y Ecosistemas a y Ecosistemas Microbiolog Microbiolog í í a de las aguas residuales a de las aguas residuales Bacterias y organismos depredadores Bacterias y organismos depredadores Fundamentos de los procesos de depuraci Fundamentos de los procesos de depuraci ó ó n biol n biol ó ó gica gica Metabolismo bacteriano Metabolismo bacteriano Tipos de metabolismo Tipos de metabolismo Reactores biol Reactores biol ó ó gicos. Factores ambientales gicos. Factores ambientales Crecimiento bacteriano Crecimiento bacteriano Demanda bioqu Demanda bioqu í í mica de ox mica de ox í í geno geno CONTENIDO
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Demanda bioquDemanda bioquíímica de oxmica de oxíígenogeno
CONTENIDO
Fundamentos biológicosFundamentos biológicosEcología y ecosistemas
● La Ecología es la parte de la biología que estudia la estructura y funcionamiento de la naturaleza
● La Ecología estudia las interacciones entre los seres vivos y su entorno abiótico o habitat, definiendo una unidad de estudio que es lo que se denomina un ecosistema
Fundamentos biológicosFundamentos biológicosMicrobiología de las aguas residuales
Fundamentos biológicosFundamentos biológicosMicrobiología de las aguas residuales
Microorganismos. Bacterias
► Las bacterias son organismos procariotas unicelulares (moneras), que se alimentan por absorción a través de la membrana celular y se reproducen generalmente por partición binaria (fisión)
► Existe una gran cantidad de especies de bacterias, con formas y tamaños diferentes (1-10 µm)
► Las bacterias están constituidas en un 80% de agua y un 20% de materia seca, el 90% de la cual es orgánica, pudiéndose formular aproximadamente como C5H7NO2
Fundamentos biológicosFundamentos biológicosMicrobiología de las aguas residuales
CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS MICROORGANISMOS
-AUTÓTROFOS C de CO2
Fotosintéticos: energía de la luz solarQuimiosintéticos: energía de una reacción redox inorgánica
-HETERÓTROFOS C de la materia orgánica
[Fotosintéticos: energía de la luz solar]Quimiosintéticos: energía de una reacción redox orgánica
PROBLEMATeniendo en cuenta que la composición del tejido celular se puede representar por la fórmula: C5H7NO2, y sabiendo que se trata de una oxidación con oxígeno, indique una ecuación química posible para el proceso de respiración endógena, suponiendo que el N celular se transforma en N2(g).
¿En cuanto se reducirá la DBO (mg/L) de un agua residual en un reactor biológico, en un periodo en el que los sólidos suspendidos volátiles (SSV) pasan de 2200 a 2360 mg/L, si la productividad (Y) en el reactor es 0,8?
Demanda bioquDemanda bioquíímica de oxmica de oxíígenogeno
ConceptoConcepto
Ecuaciones cinEcuaciones cinééticas. DBO infinita y ticas. DBO infinita y DBODBOtt
Constante cinConstante cinéética de la DBOtica de la DBO
DBODBO55. Medida de la DBO. Medida de la DBO
OxidaciOxidacióón del nitrn del nitróógeno. DBO nitrogenadageno. DBO nitrogenada
Limitaciones al ensayo de la DBOLimitaciones al ensayo de la DBO
DTO, DQO, COT y DBODTO, DQO, COT y DBO
CONTENIDO
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
Concepto de DBO
La DBO se refiere al oxigeno disuelto (OD) consumido por la degradación biológica natural (oxidación biológica) de la materia orgánica (MO biodegradable)
Así, en el caso de una sustancia biodegradable como el etanol (C2H6O) se tiene:
El OD consumido en la reacción se puede calcular, ya que de la misma resulta un valor de 4 g OD / g C. De manera que multiplicando por 4 los mg/L de C del etanol que se han oxidado tendríamos la DBO en mg/L
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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Concepto de DTO
En realidad la cifra anterior es inferior, ya que no todo el C biodegradable se utiliza para la oxidación, El cálculo realizado se refiere a la DTO, demanda teórica (o estequiométrica) que permite obtener un valor por exceso
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
PROBLEMASabiendo que la ecuación química para el proceso de respiración endógena, se puede expresar como:
4 C5H7NO2 + 23 O2 ➔ 20 CO2 + 14 H2O + 2 N2
indique la demanda teórica de oxígeno (DTO) para la oxidación completa de los microorganismos de un reactor biológico que contiene 2300 mg de SSV(materialcelular) /LR. 3745 mg O2/L
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Concepto de DBO
El oxígeno consumido es directamente proporcional al C biodegradable (sustrato) oxidado. Este hecho, unido a que resulta más fácil medir el OD que la concentración de sustrato, y que lo que realmente importa no son los contaminantes en sí, sino el efecto que producen sobre el OD, justifica que la concentración de MO biodegradable se exprese casi siempre por la DBO
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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Concepto de DBO
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
En una muestra de agua contaminada con MO biodegradable aislada de la atmósfera, pero con suficiente OD y en presencia de microorganismos para que ocurra la oxidación biológica, las concentraciones de OD y de sustrato evolucionan (decrecen exponencialmente) con el tiempo tal como se muestra en la figura
Este es el comportamiento correspondiente a una cinética de primer orden
[OD] (S)
Tiempo
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Concepto de DBO
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
En una cinética de primer orden se cumple:
dS/dt = - k·S St = S0 · e – kt
Sustrato consumido en el tiempo t = S0 - St = S0 (1 – e – k·t)Oxígeno consumido en el tiempo t = [OD]0 - [OD]t = DBOt
Si se iguala el sustrato consumido a la DBO, se tiene:
DBOt = S0 (1 – e – k·t)
Pero para t =∞ se cumple que: DBOt = S0 = DBO∞
De donde resulta:
DBOt = DBO∞(1 – e – k·t)
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S remanente (DBO) y DBO (ejercida)
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
DBO5
S0DBO4
DBO (S)
Tiempo (días)5
DBO5
S0 - S5
S5
DBOS consumido
S remanente
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Ecuaciones cinEcuaciones cinééticas. DBO infinita y ticas. DBO infinita y DBODBOtt
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
PROBLEMAS
● Si la DBO5 de un agua vale 200 mg/L y la constante cinética k a 20ºC vale 0,15 día-1, determine ¿qué fracción de la materia orgánica del agua se habráoxidado a los 10 días a 20ºC?R. 0,777 (77,7%)
● Se ha analizado en el laboratorio a 20ºC la demanda bioquímica de una muestra de agua procedente de un colector que recoge las aguas residuales de una empresa antes de su vertido a un río próximo, siendo los resultados los siguientes: DBO10 = 533 mg/L y DBO20 = 592,6. Determine el valor de la DBO∞del agua del colectorR. DBO∞ = 600 mg/L
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Concepto de carga contaminante y habitanteConcepto de carga contaminante y habitante--equivalenteequivalente
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
PROBLEMAS● Determine la carga contaminante de una empresa, expresada en habitantes –equivalentes (h-e), referida al valor de la DBO5 (400 mg/L) de sus aguas residuales (vertido), sabiendo que el caudal del vertido es de 0,1 m3/s. DATO: 1 h-e equivale a una DBO de 60 g de O2/díaR. 57600 h-e
● El reactor biológico de una planta de fangos activos va a tratar un caudal de 3000 m3/día de un efluente primario que tiene una DBO de 200 ppm. Determine la carga contaminante tratada, expresada en habitantes-equivalentes (h-e), sabiendo que cada persona produce diariamente una contaminación orgánica correspondiente a una DBO de 60 g de O2.R. 10000 h-e
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Influencia de la temperatura en la DBOInfluencia de la temperatura en la DBO
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
k kTT= −
2020( )θ
La temperatura influye en la DBOt pero no en la DBO∞
La temperatura influye de manera positiva en la velocidad de las reacciones (Arrhenius): T↑ k ↑
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Medida de la DBOMedida de la DBO5
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
Medida del consumo neto de OD en la muestra diluida en un periodo de 5 días, a 20ºC, en completa oscuridad
Muestra diluida = Muestra original + Agua de dilución
Medidas en blancos (agua de dilución) y muestras
OD final no puede ser cero
V muestra diluida = 300 mL (botella especial)
Agua de dilución
Microorganismos
Nutrientes
Regulador del pH
Inhibidor
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Medida de la DBOMedida de la DBO
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
Dilución de la muestra original
% de dilución (% DIL)
% DIL = (Volumen muestra sin diluir/Volumen muestra diluida)·100
Factor de dilución (f)
f = Volumen muestra diluida/Volumen muestra sin diluir = 100 / (%DIL)
DBO5 = [OD (blanco) - OD (muestra)]a los 5 días ·f
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Medida de la DBOMedida de la DBO
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
CUESTIONES► Se toma 1 mL de una muestra original de un agua residual y se diluye hasta 300 mL (volumen de la botella estándar) para realizar el ensayo de la DBO5. Si el agua de dilución no consume oxígeno y si la muestra original resulta tener una DBO5 de 600 mg/L. ¿Cuál habrá sido el consumo de oxígeno disuelto de la muestra diluida tras el periodo de cinco días?R. 2 mg/L
► Si se estima que una determinada agua residual debe tener una DBO5de unos 500 mg/L, y se quiere conseguir una reducción del oxígeno disuelto de 4 mg/L en las muestras diluidas de dicha agua que se analicen en el laboratorio para determinar la DBO5, ¿qué volumen de muestra original se habrá de tomar para diluirlo hasta 300 mL a la hora de realizar el ensayo en el laboratorio?R. 2,4 mL
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Oxidación del nitrógeno. DBO nitrogenada
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
Reacción global: NITRIFICACIÓN
Microorganismos
NH4+ + 2 O2 ➔ NO3⎯ + H2O + 2 H+
■ Proceso biológico en dos etapas
■ Bacterias autótrofas
■ El N-NH4+ también ejerce una demanda sobre el OD