-
Procesos bioló gicos unitarios
Metcalf & Eddy
En la mayoría de los casos, con un análisis y control adecuados
del entorno, es posible tratar por vía biológica la práctica
totalidad de las aguas residuales. Por lo tanto, es necesario que
el ingeniero sanitario conozca perfectamente el funcionamiento y
las características de cada uno de los procesos de tratamiento
biológico, a fin de que pueda asegurar el control y adecuación del
medio ambiente al proceso de tratamiento escogido. Teniendo en
cuenta la importancia del tratamiento biológico, en este capítulo
se pretende: (1) presentar una panorámica general del tratamiento
biológico de las aguas residuales; (2) hacer una introducción de
los aspectos importantes relacionados con el metabolismo
microbiano; (3) hacer una introducción de los principales
organismos responsables del tratamiento de las aguas residuales;
(4) repasar y discutir los factores clave que intervienen en el
crecimiento biológico y en la cinética del tratamiento de aguas
residuales, y (5) ilustrar la aplicación de los principios básicos
y de la cinética al análisis de los procesos biológicos más
comúnmente empleados en el tratamiento del agua residual. La
eliminación biológica de nutrientes y las técnicas de lagunaje se
analizan en secciones diferentes. La información contenida en este
capítulo proporciona las bases para el proyecto de los procesos de
tratamiento biológicos discutidos en los Capítulos 10 a 12.
8.1 PANORÁMICA GENERAL DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DEL AGUA
RESIDUAL
Para proporcionar el material necesario para abordar el resto de
los temas que se van a tratar en este capítulo, en primer lugar se
analizan los objetivos del tratamiento biológico del agua residual
y el papel de los microorganismos en el mismo. Objetivos del
tratamiento biológico
Los objetivos del tratamiento biológico del agua residual son la
coagulación y eliminación de los sólidos coloidales no
sedimentables y la estabilización de la materia orgánica. En el
caso del agua residual doméstica, el principal objetivo es la
reducción de la materia orgánica presente y, en muchos casos, la
eliminación de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo. A menudo,
la eliminación de compuestos a nivel de traza que puedan resultar
tóxicos, también constituye un objetivo de tratamiento importante.
En el caso de las aguas de retorno de usos agrícolas, el principal
objetivo es la eliminación de los nutrientes que puedan favorecer
el crecimiento de plantas acuáticas, como el nitrógeno y el
fósforo. En el caso de aguas residuales industriales, el principal
objetivo es la reducción de la concentración de compuestos tanto
orgánicos como inorgánicos. A menudo, puede ser necesario llevar a
cabo un pretratamiento previo, debido a la potencial toxicidad de
estos compuestos para los microorganismos.
-
Papel de los microorganismos
La eliminación de la DBO carbonosa, la coagulación de los
sólidos coloidales no sedimentables, y la estabilización de la
materia orgánica se consiguen, biológicamente, gracias a la acción
de una variedad de microorganismos, principalmente bacterias. Los
microorganismos se utilizan para convertir la materia orgánica
carbonosa coloidal y disuelta en diferentes gases y tejido celular.
Dado que el tejido celular tiene un peso específico ligeramente
superior al del agua, se puede eliminar por decantación. Es
importante señalar que, salvo que se separe de la solución el
tejido celular que se produce a partir de la materia orgánica, no
se alcanzará un tratamiento completo. Ello es debido a que el
tejido celular, que es de naturaleza orgánica, aparecerá como parte
de la medida de la DBO del efluente. Si no se separa el tejido
celular, el único tratamiento que se habrá llevado a cabo es el
asociado con la conversión bacteriana de una fracción de la materia
orgánica presente originalmente en diversos productos gaseosos
finales. 8.2 INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO MICROBIANO
La comprensión de las actividades bioquímicas de los
microorganismos importantes es básica en el proyecto del
tratamiento biológico y en la elección de los procesos que forman
parte de él. Los dos temas principales que se estudian en este
apartado son: (1) las necesidades nutritivas generales de los
microorganismos habitualmente presentes en el tratamiento del agua
residual, y (2) la naturaleza del metabolismo microbiano, en
función de la necesidad de oxígeno molecular.
Necesidades nutritivas para el crecimiento microbiano
Para poder reproducirse y funcionar de manera correcta, un
organismo necesita: (1) una fuente de energía; (2) carbono para la
síntesis de materia celular nueva, y (3) elementos inorgánicos
(nutrientes) tales como nitrógeno, fósforo, azufre, potasio, calcio
y magnesio. Los nutrientes orgánicos (factores de crecimiento)
también pueden ser necesarios para la síntesis celular. En el
siguiente apartado se trata de las necesidades de fuentes de
carbono y de energía, normalmente conocidas como substratos, de
nutrientes y de factores de crecimiento para los diferentes tipos
de organismos. Fuentes de energía y de carbono. La materia orgánica
y el dióxido de carbono son dos de las principales fuentes de
carbono celular para los microorganismos. Los organismos que
utilizan el carbono orgánico para la formación de tejido celular se
denominan heterótrofos. Los organismos que obtienen carbono celular
a partir del dióxido de carbono reciben el nombre de organismos
autótrofos. El proceso de conversión del dióxido de carbono a
tejido celular orgánico es un proceso reductivo que precisa un
suministro neto de energía. Por lo tanto, los organismos autótrofos
deben emplear una parte mayor de su energía para la síntesis de
tejido celular que los organismos heterótrofos, lo cual comporta
unas tasas de crecimiento menores que las de éstos. La energía
necesaria para la síntesis celular se obtiene de la luz o bien de
las reacciones químicas de oxidación. Los organismos capaces de
utilizar la luz como fuente de energía reciben el nombre de
organismos fotótrofos. Estos organismos pueden ser heterótrofos
(algunas bacterias sulfurosas) o autótrofos (algas y bacterias
fotosintéticas). Los organismos que obtienen la energía a partir de
reacciones químicas se conocen como organismos quimiótrofos. Al
igual que en el caso de los fotótrofos, los
-
organismos quimiótrofos también pueden ser heterótrofos
(protozoos, hongos y la mayoría de las bacterias) o autótrofos
(bacterias nitrificantes). Los organismos quimioautótrofos
consiguen la energía a partir de la oxidación de compuestos
inorgánicos reducidos tales como el amoniaco, el nitrito y el
sulfuro. Los organismos quimioheterótrofos suelen obtener la
energía mediante la oxidación de compuestos orgánicos. En la Tabla
8-1 se resume la clasificación de los microorganismos en base a las
fuentes de energía y carbono celular. En las Figuras 8-1 a 8-3 se
esquematizan los mecanismos típicos de metabolismo bacteriano.
Necesidades de nutrientes y de factores de crecimiento. En
ocasiones, los nutrientes pueden condicionar y limitar, en mayor
medida que el carbono y la energía, la síntesis celular y el
crecimiento bacteriano. Los principales nutrientes inorgánicos
necesarios para los microorganismos son: N, S, P, K, Mg, Ca, Fe,
Na, y Cl, mientras que entre los nutrientes de menor importancia se
hallan el Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni, V y W [34].
TABLA 8-1 Clasificación general de los microorganismos
atendiendo a sus fuentes de energía y de
carbonoa
aAdaptado de la bibliografía [34]
FIGURA 8-1 Esquema del metabolismo bacteriano
quimioheterótrofo.
Al margen de los nutrientes inorgánicos que se acaban de citar,
algunos microorganismos pueden necesitar también algunos nutrientes
orgánicos. Los nutrientes orgánicos, conocidos como «factores de
crecimiento», son compuestos que necesitan
-
los organismos como precursores o constituyentes para la
síntesis de materia celular orgánica que no se puede obtener a
partir de otras fuentes de carbono. A pesar de que los factores de
crecimiento varían de un organismo a otro, los principales factores
de crecimiento se pueden dividir en las siguientes tres clases: (1)
aminoácidos; (2) purinas y pirimidinas, y (3) vitaminas [34].
La nutrición bacteriana y los procesos de tratamiento
biológicos. El principal objetivo de la mayoría de los procesos de
tratamiento biológico es la reducción del contenido de materia
orgánica (DBO carbonosa) del agua residual. Para conseguir este
objetivo, son de gran importancia los organismos
quimioheterótrofos, pues además de energía y carbono, también
necesitan compuestos orgánicos. Cuando los objetivos del
tratamiento incluyan la conversión de amoníaco en nitrato, son de
gran importancia las bacterias nitrificantes
quimioheterótrofas.
Las aguas residuales municipales suelen contener cantidades de
nutrientes (tanto orgánicos como inorgánicos) adecuadas para
permitir el tratamiento biológico para la eliminación de la DBO
carbonosa. No obstante, en aguas residuales de origen industrial,
puede ocurrir que no exista suficiente presencia de nutrientes. En
tales casos, es necesario añadir nutrientes para permitir el
adecuado crecimiento bacteriano y la consiguiente degradación de
los residuos orgánicos.
FIGURA 8-2 Esquema del metabolismo bacteriano
quimioautótrofo.
-
FIGURA 8-3 Esquema del metabolismo bacteriano fotoautótrofo.
Tipos de metabolismos microbianos
Dentro de las organismos quimioheterótrofos, se puede realizar
una nueva clasificación atendiendo a las características de su
metabolismo y a sus necesidades de oxígeno molecular. Los
organismos que generan energía por transporte de electrones
mediante enzimas desde un donante de electrones hasta un aceptor de
electrones exterior tienen un metabolismo respiratorio. En cambio,
el metabolismo fermentativo no incluye la participación de un
aceptor exterior. La fermentación es un proceso de producción de
energía menos eficiente que la respiración; como consecuencia de
ello, los organismos heterótrofos estrictamente fermentativos se
caracterizan por tasas de crecimiento y de producción celular
menores que las de los organismos heterótrofos respiratorios.
Cuando el oxigeno molecular actúa como aceptor de electrones en los
metabolismos respiratorios, el proceso recibe el nombre de
respiración aerobia. Los organismos que se basan en la respiración
aerobia para satisfacer sus necesidades energéticas sólo pueden
sobrevivir si existe una aportación suficiente de oxígeno
molecular. Estos organismos reciben el nombre de organismos
aerobios obligados. Algunos compuestos inorgánicos oxidados tales
como el nitrato o el nitrito, pueden hacer las funciones de
aceptores de electrones para ciertos organismos respiratorios en
ausencia de oxígeno molecular (véase Tabla 8-2). En la ingeniería
ambiental, los procesos en que intervienen estos organismos reciben
el nombre de procesos anóxicos.
TABLA 8-2
Aceptores de electrones en las reacciones bacterianas
normalmente presentes en el agua residual
-
aTambién conocida corno desnitriricación anóxica
Los organismos que generan energía por fermentación y sólo
pueden existir en un medio en ausencia de oxigeno, se denominan
anaerobios obligados. Los organismos que generan energía por
fermentación y que tienen la capacidad de crecer, tanto en
presencia como en ausencia de oxigeno molecular, reciben el nombre
de organismos anaerobios facultativos, y se pueden clasificar en
dos grupos, atendiendo a sus posibilidades metabólicas. Los
organismos anaerobios facultativos puros pueden cambiar de
metabolismo fermentativo a respiratorio, dependiendo de la
presencia o ausencia de oxigeno molecular. Los organismos
anaerobios aerotolerantes tienen un metabolismo estrictamente
fermentativo, pero son relativamente insensibles a la presencia de
oxigeno molecular. 8.3 MICROORGANISMOS IMPORTANTES EN EL
TRATAMIENTO BIOLÓGICO DEL AGUA RESIDUAL
Los microorganismos se suelen clasificar, según su estructura y
funcionamiento celular, en eucariotas, eubacterias y
arqueobacterias, tal y como se muestra en la Tabla 3-11. Los grupos
procariotas (eubacterias y arqueobacterias) suelen denominarse
simplemente bacterias, y son primordiales en el tratamiento
biológico. El grupo de las eucariotas incluye las plantas, animales
y las protistas. Los organismos eucariotas importantes en el
tratamiento biológico de las aguas residuales incluyen (1) los
hongos, (2) los protozoos y los rotíferos, y (3) las algas.
Bacterias Las bacterias son organismos procariotas unicelulares. Su
modo habitual de reproducción es por escisión binaria, aunque
algunas especies se reproducen sexualmente o por gemación. Si bien
existen miles de especies diferentes de bacterias, su forma general
encaja dentro de alguna de las tres siguientes categorías:
esféricas, cilíndricas y helicoidales. El tamaño de las bacterias
es muy variable. Los tamaños representativos son de 0,5 a 1 micra
de diámetro para las bacterias esféricas, entre 0,5 y 1 micra de
anchura por 1,5 a 3 micras de longitud para las cilíndricas
(bastoncillos), y entre 0,5 y 5 micras de anchura por 6 a 15 micras
de longitud en el caso de bacterias helicoidales (espirales).
Estructura celular. En general, la mayoría de las células
bacterianas son bastante parecidas (véase Fig. 8-4). Como se puede
apreciar en la Figura 8-4, el interior de la célula, que recibe el
nombre de citoplasma, contiene una suspensión coloidal de
proteínas, carbohidratos, y otros compuestos orgánicos complejos.
La región
-
citoplasmática contiene ácido ribonucleico (ARN), cuya principal
misión es la síntesis de proteínas. Asimismo, en el citoplasma, se
halla la región del núcleo, rica en ácido desoxirribonucleico
(ADN). El ADN contiene toda la información necesaria para la
reproducción de la totalidad de los componentes de la célula y se
puede considerar como la base de la célula.
FIGURA 8-4 Esquema general de una célula bacteriana [31].
Composición celular. Diferentes ensayos realizados sobre una
variedad de bacterias indican que su composición básica es del 80
por 100 de agua y el 20 por 100 de materia seca, de la que el 90
por 100 es materia orgánica y el 10 por 100 inorgánica. En la Tabla
8-3 se facilitan los datos típicos de la composición de las células
bacterianas. Una fórmula que permite describir, de manera
aproximada, su fracción orgánica es C5H7O2N [16]. Como la propia
fórmula indica, el 53 por 100 en peso de la fracción orgánica es
carbono. Cuando también se considera la presencia de fósforo, se
puede emplear la formulación C60H87O23N12P. Los compuestos que
forman parte de la fracción inorgánica incluyen: P2O5 (50%), SO3
(15 %), Na2O (11 %), CaO (9%). MgO (8%), K2O (6 %) y Fe2O3 (1 %).
Puesto que todos estos elementos y compuestos deben proceder del
medio ambiente en el que se desarrolla la célula, la falta de
cualquiera de ellos limitará el crecimiento celular y, en algunos
casos, será responsable de sus alteraciones.
TABLA 8-
-
Composición típica de las células bacterianasa
aAdaptado de la bibliografía [12, 34 y 35].
Necesidades medioambientales. Las condiciones ambientales de
temperatura y de pH tienen un papel importante en la supervivencia
y crecimiento de las bacterias. A pesar de que las bacterias pueden
sobrevivir en un intervalo bastante amplio de valores de la
temperatura y del pH, el crecimiento óptimo se suele producir en un
intervalo muy restringido de valores de estos dos parámetros. Las
temperaturas por debajo de la óptima tienen efectos más importantes
sobre el crecimiento bacteriano que las superiores a aquélla; se ha
podido comprobar que las tasas de crecimiento se doblan por cada
aumento de 10ºC de la temperatura hasta alcanzar el valor óptimo.
Según el intervalo de temperatura en el que el desarrollo
bacteriano es óptimo, las bacterias se pueden clasificar en
psicrófilas, mesólilas y termófilas. Los intervalos de temperatura
óptima típicos para las bacterias de estas tres categorías
señaladas están indicados en la Tabla 8-4. Para información más
detallada de los organismos en los diferentes intervalos de
temperatura consúltese la bibliografía incluida al final del
capitulo L13-15, 34]. El pH del medio ambiente también constituye
un factor clave en el creci-miento de los organismos. La mayoría de
las bacterias no toleran niveles de pH por debajo de 4,0 ni
superiores a 9,5. En general, el pH óptimo para el crecimiento
bacteriano se sitúa entre 6,5 y 7,5.
TABLA 8-4 Intervalos de temperatura típicos para algunas
bacterias
aTambién llamadas criófilas.
-
Hongos Se considera que los hongos importantes en ingeniería
sanitaria son protistas heterótrofas, no fotosintéticas y
multicelulares. Los hongos se suelen clasificar en función de su
modo de reproducción. Se pueden reproducir sexual o asexualmente,
por escisión, gemación, o por formación de esporas. Los mohos u
«hongos verdaderos» producen unidades microscópicas (hifas), que
colectivamente forman una masa filamentosa llamada micelio. Las
levaduras son hongos que no tienen la capacidad de formar micelio,
razón por la cual son unicelulares.
La mayoría de los hongos son aerobios estrictos. Pueden crecer
con muy poca humedad y toleran ambientes con pH relativamente
bajos. El pH óptimo para la mayoría de las especies es 5,6,
mientras que el intervalo de tolerancia se sitúa entre 2 y 9. Los
hongos tienen una baja demanda de nitrógeno, sólo necesitan,
aproximadamente, la mitad que las bacterias. La capacidad de los
hongos para sobrevivir en condiciones pH bajos y escasa
disponibilidad de nitrógeno los convierte en organismos de gran
importancia en el tratamiento de aguas residuales de origen
industrial y en la formación de compuestos a partir de residuos
sólidos orgánicos.
Protozoos y rotíferos
Los protozoos son protistas móviles microscópicas y, por lo
general, unicelulares. La mayoría de los protozoos son heterótrofos
aerobios, aunque algunos son anaerobios. Los protozoos suelen ser
mayores que las bacterias, y se suelen alimentar de ellas para la
obtención de energía. De hecho, al consumir bacterias y materia
orgánica, los protozoos actúan como purificadores de los efluentes
de procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales.
El rotífero es un animal aerobio, heterótrofo y multicelular. Su
nombre procede del hecho de que disponen de dos juegos de pestañas
giratorias sobre la cabeza, que emplean para la captura de
alimentos y para moverse. Los rotíferos son muy eficaces en la
eliminación de bacterias dispersas y floculadas, así como de
pequeñas partículas de materia orgánica. Su presencia en un
efluente indica un proceso aerobio de purificación biológica muy
eficiente.
Algas Las algas son protistas unicelulares o multicelulares,
autótrofas y fotosintéticas. Su importancia en los procesos de
tratamiento biológico estriba en dos hechos. En lagunas de
estabilización, la capacidad de las algas para generar oxígeno por
fotosíntesis es vital para la ecología del medio ambiente acuático.
Para que una laguna de oxidación aerobia o facultativa funcione
adecuadamente, la presencia de algas es necesaria para suministrar
el oxígeno a las bacterias heterótrofas aerobias. Esta relación
simbiótica entre las bacterias y las algas se analizará con mayor
detalle en la Sección 8.12, que trata de las lagunas de oxidación
aerobias y facultativas. Las algas también son, asimismo,
importantes en los procesos de tratamiento biológico porque el
problema de la prevención del crecimiento excesivo de algas en los
cuerpos
-
de agua receptores se ha centrado, hasta la fecha, en la
eliminación de nutrientes en los procesos de tratamiento. Algunos
científicos abogan por la eliminación del nitrógeno en los
efluentes de las plantas de tratamiento; otros recomiendan la
eliminación del fósforo; y un tercer grupo recomienda la
eliminación de ambos constituyentes. Los objetivos del tratamiento
condicionan el tipo de proceso biológico que hay que
seleccionar.
8.4 CRECIMIENTO BACTERIANO
El control efectivo del medio ambiente en que se desarrolla el
tratamiento biológico del agua residual se basa en la comprensión
de los principios fundamentales que rigen el crecimiento de los
microorganismos. El siguiente apartado trata del crecimiento de las
bacterias, los organismos de mayor importancia en el tratamiento
biológico. Características principales del crecimiento en cultivos
puros
Como se ha indicado anteriormente, las bacterias se pueden
reproducir por fisión binaria, sexualmente o por gemación. Por lo
general, se reproducen por fisión binaria, es decir, por división;
la célula original se transforma en dos nuevos organismos. El
tiempo necesario para cada fisión, que recibe el nombre de tiempo
de generación, puede variar entre días y menos de 20 minutos. Por
ejemplo, si el tiempo de generación es de 30 minutos, una bacteria
producirá 16.777.216 bacterias después de un periodo de 12 h. Esta
es una cifra hipotética, puesto que las bacterias no continúan
dividiéndose indefinidamente a causa de diversas limitaciones
ambientales, tales como la concentración del substrato, la
concentración de nutrientes, e incluso el tamaño del sistema.
Crecimiento en términos de número de bacterias. La forma general en
que se produce el crecimiento de las bacterias en un cultivo
discontinuo se ilustra en la Figura 8-5. Inicialmente, se inocula
un pequeño número de organismos en un volumen determinado de un
medio de cultivo y se registra el número de organismos viables en
función del tiempo. El modelo de crecimiento basado en el número de
células consta, más o menos, de cuatro fases diferenciadas:
FIGURA 8-5 Curva de crecimiento bacteriano típica, en términos
de número de bacterias.
-
1. Fase de retardo. Tras la adición de un inóculo a un medio de
cultivo, la fase de retardo representa el tiempo necesario para que
los organismos se aclimaten a las nuevas condiciones ambientales y
comiencen a dividirse. 2. Fase de crecimiento exponencial. Durante
esta fase, la célula se divide a una velocidad determinada por su
tiempo de generación y su capacidad de procesar alimento (tasa
constante de crecimiento porcentual). 3. Fase estacionaria. En esta
fase, la población permanece constante. Las razones que se apuntan
para la explicación de este fenómeno son las siguientes: (a) las
células han agotado el substrato o los nutrientes necesarios para
el crecimiento, y (b) la generación de células nuevas se compensa
con la muerte de células viejas. 4. Fase de muerte exponencial.
Durante esta fase, la tasa de mortalidad de bacterias excede la de
generación de células nuevas. La tasa de mortalidad suele ser
función de la población viable y de las características
ambientales. En algunos casos, la fase de muerte exponencial se
corresponde con la inversa de la fase de crecimiento exponencial.
Crecimiento en términos de masa de bacterias. El modelo de
crecimiento también se puede abordar estudiando la variación con el
tiempo de la masa de microorganismos. En este modelo de crecimiento
también se pueden diferenciar cuatro fases. 1. Fase de retardo. De
nuevo, las bacterias precisan de cierto tiempo para aclimatarse al
nuevo medio. Cuando se aborda el estudio en términos de masa de
bacterias, la fase de retardo no es tan larga como en el enfoque en
función del número de bacterias, debido a que la masa de bacterias
empieza a aumentar antes de que se produzca la división celular. 2.
Fase de crecimiento exponencial. Siempre existe una cantidad en
exceso de alimento alrededor de los microorganismos; la tasa de
metabolismo y crecimiento sólo es función de la capacidad de los
organismos para procesar el substrato. 3. Fase de crecimiento
decreciente. La tasa de crecimiento, y en consecuencia la masa de
bacterias, disminuyen como consecuencia de la limitada
disponibilidad de alimento. 4. Fase endógena. Los microorganismos
se ven forzados a metabolizar su propio protoplasma sin reposición
del mismo, ya que la concentración de alimento disponible se
encuentra al mínimo. Durante esta fase, se puede presentar el
fenómeno conocido con el nombre de lisis, según el cual los
nutrientes que quedan en las células muertas se difunden en el
medio proporcionando alimento a las células vivas existentes
(«crecimiento críptico»). Crecimiento en cultivos mixtos
Es importante observar que la anterior discusión se refiere a
una única población de microorganismos. En general, los procesos de
tratamiento biológico están compuestos por complejas poblaciones
biológicas mezcladas e interrelacionadas, en las que cada
microorganismo del sistema tiene su propia curva de crecimiento. La
posición y forma de la curva particular de crecimiento dentro del
sistema, en función del tiempo, depende del alimento y de los
nutrientes disponibles, así como de factores ambientales tales como
la temperatura y el pH y del carácter aerobio o anaerobio del
sistema. La variación con el tiempo del predominio de
microorganismos en la estabilización aerobia de un agua residual
orgánica se presenta en la Figura 8-6. Si bien las bacterias son de
importancia capital, existen muchos otros organismos que participan
en la estabilización
-
del residuo orgánico. Al proyectar o analizar un proceso de
tratamiento biológico, el ingeniero deberá pensar en términos de un
ecosistema, o comunidad, tal como el que se muestra en la Figura
8-6, y no en una «caja negra» que sólo contenga microorganismos
misteriosos.
FIGURA 8-6 Crecimiento relativo de los microorganismos en el
curso de la estabilización de un residuo orgánico en un medio
líquido [24].
8.5 CINÉTICA DEL CRECIMIENTO BIOLÓGICO
En este capitulo se pone especial énfasis en señalar que el
proyecto de un sistema de tratamiento biológico de aguas
residuales, precisa de una comunidad biológica y un medio ambiente
bien controlados. Anteriormente, se han estudiado los
microorganismos de importancia en el tratamiento de las aguas
residuales junto con sus características metabólicas y sus formas
de crecimiento. Aunque ya se han descrito las características del
medio ambiente necesarias para el crecimiento, aún no se ha
comentado nada acerca de cómo controlarlo. Las condiciones
ambientales se pueden controlar mediante la regulación del pH, de
la temperatura, la adición de nutrientes o elementos de traza, la
adición o exclusión de oxigeno o, también, mediante una mezcla
adecuada del medio. El control de las condiciones ambientales
asegurará que los microorganismos dispongan del medio adecuado para
su desarrollo. Para asegurar el crecimiento de los microorganismos,
se les debe permitir un tiempo de permanencia en el sistema
suficiente para que se reproduzcan. Este periodo depende de la tasa
de crecimiento, la cual está directamente relacionada con la
velocidad a la que metabolizan o utilizan el residuo. Suponiendo
que las condiciones ambientales estén debidamente controladas, se
puede asegurar una estabilización eficaz mediante el control de la
tasa de crecimiento de los microorganismos. El propósito de esta
sección es presentar la cinética del crecimiento biológico.
Crecimiento celular
-
Tanto en los sistemas de cultivo de alimentación continua como
en los de alimentación discontinua, la tasa de crecimiento de las
células bacterianas se puede definir mediante la siguiente
expresión:
rg = µX (8.1)
donde: rg = tasa de crecimiento bacteriano, masa/volumen
unitario tiempo. µ = tasa de crecimiento específico, tiempo-1. X =
concentración de microorganismos, masa/volumen unitario. Dado que
en los cultivos de alimentación discontinua dX/dt = rg (véase
Apéndice G), la siguiente relación también es válida para este tipo
de cultivos:
dX/dt = µX (8.2)
Crecimiento con limitación de substrato
En los cultivos de alimentación discontinua, si uno de los
requisitos esenciales para el crecimiento (substrato o nutrientes)
está presente en cantidades limitadas, será el primero en agotarse
y se detendrá el crecimiento (véase Fig. 8-5). En un cultivo
continuo, este hecho tendrá el efecto de limitar el crecimiento.
Experimentalmente, se ha podido determinar que el efecto de
disponer de cantidades limitadas de substrato o de nutrientes, a
menudo, se puede definir adecuadamente mediante la siguiente
expresión desarrollada por Monod [25, 26]:
µ = µm S/(Ks + S) (8.3)
donde: µ = tasa de crecimiento específico, tiempo-1. µm = máxima
tasa de crecimiento específico, tiempo-1. S = concentración del
substrato que limita el crecimiento, masa/unidad de volumen. Ks=
constante de velocidad mitad, concentración de substrato a la mitad
de la máxima tasa de crecimiento, masa/unidad de volumen. El efecto
de la concentración de substrato sobre la tasa de crecimiento
específico se ilustra en la Figura 8-7.
-
FIGURA 8-7
Gráfico representativo de los efectos de un nutriente limitante
sobre la velocidad específica de crecimiento.
Si se sustituye en la Ecuación 8.1 el valor de de la Ecuación
8.3, la expresión de la tasa de crecimiento que resulta es:
rg = µmXS/(Ks + S) (8.4)
Crecimiento celular y utilización del substrato
Tanto en los sistemas de cultivo de alimentación continua como
en los de alimentación discontinua, una parte del substrato se
transforma en células nuevas, y otra parte se oxida y da origen a
productos finales orgánicos e inorgánicos. Dado que se ha observado
que la cantidad de células nuevas producidas es la misma para un
substrato dado, se ha desarrollado la siguiente relación entre el
grado de utilización del substrato y la tasa de crecimiento:
rg = -Yrsu (8.5)
donde: rg = tasa de crecimiento bacteriano, masa/unidad de
volumen. Y = coeficiente de producción máxima medido durante
cualquier período finito de la fase de crecimiento exponencial,
definido como la relación entre la masa de células formadas y la
masa de substrato consumido, masa/masa. rsu = tasa de utilización
de substrato, masa/volumen tiempo.
Basándose en ensayos de laboratorio, se ha podido comprobar que
la producción depende de: (1) el estado de oxidación de la fuente
de carbono y de los elementos nutrientes; (2) del grado de
polimerización del substrato; (3) de las vías de metabolismo; (4)
de la tasa de crecimiento, y (5) de diversos parámetros físicos de
cultivo. Si se sustituye el valor de rg de la Ecuación 8.4 en la
Ecuación 8.5, el grado de utilización de substrato se puede definir
como:
-
rsu = - µmXS/Y(Ks + S) (8.6)
En la Ecuación 8.6, el término µm/Y se sustituye por el término
k, definido como la tasa máxima de utilización del substrato por
unidad de masa de microorganismos:
k = µm/Y (8.7)
Si se sustituye el término k por el término µm/Y en la Ecuación
8.6, la expresión que resulta es:
rsu = - kXS/(Ks + S) (8.8)
Efectos del metabolismo endógeno
En los sistemas bacterianos que se emplean en el tratamiento
biológico del agua residual, la distribución de edades de las
células es tal que no todas las células del sistema están en la
fase de crecimiento exponencial. Consecuentemente, la expresión de
la tasa de crecimiento se debe corregir para tener en cuenta la
energía necesaria para el mantenimiento celular. Otros factores,
tales como la muerte y la depredación, también deben ser objeto de
consideración. Generalmente, estos factores se engloban en uno
único, y se supone que la disminución de la masa celular causada
por ellos es proporcional a la concentración de organismos
presentes. En la literatura técnica, esta disminución se identifica
como descomposición endógena. El término de la descomposición
endógena se puede formular de la siguiente manera:
rd (descomposición endógena) = - kdX (8.9)
donde: kd = coeficiente de descomposición endógena, tiempo-1. X
= concentración de células, masa/unidad de volumen.
Cuando la Ecuación 8.9 se combina con las Ecuaciones 8.4 y 8.5,
las expresiones que se obtienen para la tasa neta de crecimiento
son:
r'g = (µmXS/(Ks + S)) - kdX (8.10) r'g = -Yrsu - kdX (8.11)
donde r'g = tasa neta de crecimiento bacteriano, masa unidad de
volumen. La expresión correspondiente para la tasa neta de
crecimiento específico viene dada por la Ecuación 8.12, que es la
misma que la expresión propuesta por Van Uden [39]:
µ' = (µm S/(Ks+S)) - kd (8.12)
donde µ' = tasa neta de crecimiento específico, tiempo-1. Los
efectos de la respiración endógena sobre la producción neta de
bacterias se tienen en cuenta al definir una producción observada
de la siguiente manera [29,39]:
-
Yobs = - r'g /rsu (8.13)
Efectos de la temperatura
La dependencia de la temperatura de las constantes de la
velocidad de la reacción biológica es muy importante a fin de
asegurar la eficacia conjunta de un proceso de tratamiento
biológico. La temperatura no sólo influye en las actividades
metabólicas de la población microbiana, sino que también tiene un
profundo efecto sobre factores tales como la velocidad de
transferencia de gases y sobre las características de sedimentación
de los sólidos biológicos. El efecto de la temperatura sobre la
velocidad de reacción de un proceso biológico se suele expresar de
la siguiente manera:
rT = r20 THETA(T-20) (8.14) donde: rT = velocidad de reacción a
T ºC. r20 = velocidad de reacción a 20 ºC. THETA = coeficiente de
actividad-temperatura. T = temperatura, en ºC. En la Tabla 8-5 se
presentan valores de típicos para los procesos biológicos más
utilizados. Esos valores no se deben confundir con los propuestos
en el Capítulo 3 para la determinación de la DBO.
Otras expresiones cinéticas
Al revisar las expresiones cinéticas desarrolladas para
describir el crecimiento de los microorganismos y la eliminación de
substrato, es importante recordar que estas expresiones son
empíricas y que se usan para explicar e ilustrar los fenómenos que
se producen, pero que no son las únicas expresiones existentes. Las
expresiones que se incluyen a continuación, también se han venido
utilizando para describir la tasa de utilización del substrato:
rsu = -k (8.15) rsu = - kS (8.16) rsu = -kXS (8.17) rsu = -kX
S/So (8.18)
También se han propuesto diversas expresiones para la tasa de
crecimiento específico (véase Ec. 8.3), entre las que cabe destacar
las propuestas por Monod, Teissier, Contois, y Moser [26, 34].
El factor fundamental en la aplicación de cualquier expresión
cinética es el análisis de un balance de masas. De este modo,
mientras la expresión utilizada describa el fenómeno observado, no
importa que no tenga relación alguna con las expresiones que
aparecen con más frecuencia en la literatura. También es importante
destacar que no es
-
recomendable generalizar expresiones específicas, deducidas a
partir de datos o experiencias limitados, para cubrir una gran
variedad de situaciones.
TABLA 8-5
Coeficientes de temperatura-actividad para diversos
procesos biológicos de tratamiento
Aplicación de la cinética del crecimiento y de la eliminación de
substrato al tratamiento biológico
Antes de proceder a la descripción individual de los diferentes
procesos biológicos, es necesario explicar la aplicación general de
los principios cinéticos de crecimiento biológico y de eliminación
de substrato. El propósito de este apartado es ilustrar: (1) el
desarrollo de balances de substrato y de microorganismos, y (2) la
predicción de las concentraciones de microorganismos y de substrato
en el efluente. Para ello se considerará un proceso de tratamiento
aerobio llevado a cabo en un reactor de mezcla completa sin
recirculación (véase Fig. 8-8). El esquema es el mismo que se
empleará para el proceso de fangos activados sin recirculación que
se analizará en la Sección 8.7. Es interesante observar que el
reactor de mezcla completa es básicamente igual que un quimiostato
de los que se utilizan en los ensayos de laboratorio (véase Fig.
8-9).
FIGURA 8-8 Representación esquemática de un reactor de mezcla
completa sin recirculación.
-
FIGURA 8-9 Esquema de un quimioestato de laboratorio típico
[34].
Balances de masa de microorganismos y de substrato. Un balance
de masa para la masa de microorganismos del reactor de mezcla
completa de la Figura 8-8 se puede escribir de la siguiente manera:
1. Planteamiento general:
Velocidad de acumulación de microorganismos dentro de los
límites del sistema = = cantidad de microorganismos que entran en
el sistema - - cantidad de microorganismos que salen del sistema +
+ crecimiento neto de microorganismos dentro de los límites del
sistema (8.19)
2. Planteamiento simplificado:
Acumulación = Entrada - Salida + Crecimiento neto (8.20)
3. Representación simbólica:
(dX/dt) Vr = QXo - QX + Vrr'g (8.21)
donde: dX/dt = tasa de crecimiento de microorganismos medida en
términos de masa (sólidos en suspensión volátiles), masa de
SSV/unidad de volumen tiempo. Vr = volumen del reactor. Q = caudal,
volumen/tiempo. Xo = concentración de microorganismos a la entrada
del reactor, masa de SSV/unidad de volumen. X = concentración de
microorganismos en el efluente, masa de SSV/unidad de volumen. r'g
= tasa neta de crecimiento de microorganismos, masa de SSV/ unidad
de volumen · tiempo. En la Ecuación 8.21 y expresiones
subsiguientes derivadas de ella, la fracción volátil del
-
total de sólidos biológicos en suspensión se usa como una
aproximación de la masa biológica activa. Este supuesto se basa en
que la fracción volátil se considera proporcional a la actividad de
la masa microbiana en cuestión. A pesar de que se han empleado
otras diversas medidas, tales como el contenido de nitrógeno,
proteínas, ADN y ATP, se suele utilizar el contenido de sólidos en
suspensión volátiles debido, fundamentalmente, a lo sencillo que
resulta medirlos. Si se sustituye el valor de r'g de la Ecuación
8.10 en la Ecuación 8.21, resulta:
(dX/dt) Vr = QXo - QX + Vr ((µmXS/(Ks + S)) - kdX) (8.22)
donde S = concentración de substrato en el efluente del reactor,
mg/l. Si se supone que se puede despreciar la concentración de
microorganismos en el efluente, y que prevalecen las condiciones
estacionarias (dX/dt = 0), la Ecuación 8.22 se puede simplificar, y
se obtiene:
Q/Vr = 1/THETA = (µmS/(Ks + S)) - kd (8.23)
donde THETA = tiempo de detención hidráulica, V/Q. En la
Ecuación 8.23, el término 1/THETA corresponde a la tasa neta de
crecimiento específico (véase Ec. 8-12), y también se corresponde
con el término l/THETAc donde es el tiempo de medio de retención
celular. En el campo del tratamiento de las aguas residuales,
THETAc se puede definir como la masa de organismos presentes en el
reactor dividida por la masa diaria de organismos eliminados del
sistema. (En la Sección 8.7 se da una segunda definición comúnmente
empleada.) Para el reactor de la Figura 8-8, el valor de THETAc
viene dado por la siguiente expresión:
THETAc = VrX/QX = Vr/Q (8.24)
Si se lleva a cabo un balance de substrato correspondiente al
balance de masa de microorganismos de la Ecuación 8.22, se obtiene
la siguiente expresión:
(dS/dt)Vr = QSo - QS + Vr (kXS/(Ks + S)) (8.25)
En condiciones estacionarias (dS/dt = 0), la ecuación que
resulta es:
(So - S) - THETA (kXS/(Ks + S)) = 0 (8.26)
donde THETA = Vr/Q. Concentraciones de microorganismos y de
substrato en el efluente. Las concentraciones de microorganismos y
de substrato en el efluente se pueden obtener de la siguiente
manera: si se resuelve la Ecuación 8.23 para el término S/(K+S), se
sustituye la expresión resultante en la Ecuación 8.26 y se
simplifica empleando la Ecuación 8.7, la concentración de
microorganismos en el efluente, en condiciones estacionarias, viene
dada por:
X = µm(So - S) / k(1+ kdTHETA) = Y(So - S)/(1- kdTHETA)
(8.27)
-
Operando de manera análoga, la concentración de substrato en el
efluente es:
S = Ks(1 + THETA kd) / (THETA(Yk - kd) - 1) (8.28)
Por lo tanto, se pueden emplear las Ecuaciones 8.27 y 8.28 para
la predicción de las concentraciones de microoganismos y de
substrato en el efluente si se conocen los valores de los
coeficientes cinéticos (véase Fig. 8-10). Es importante tener en
cuenta que las concentraciones en el efluente que se obtienen
al
FIGURA 8-10 Concentración de residuo en el efluente y eficacia
de eliminación respecto al tiempo medio de retención celular para
un reactor de mezcla completa sin recirculación (THETA=
THETAc).
aplicar las ecuaciones aquí expuestas, se basan en un residuo
soluble, y no tienen en cuenta la posible presencia de sólidos en
suspensión en el interior del reactor. Las concentraciones de
substrato y de microorganismos presentes en los efluentes en la
práctica, dependen del funcionamiento y rendimiento de los tanques
de sedimentación. La producción observada, Yobs viene dada por la
siguiente expresión:
Yobs = Y / (1 + kd THETA) (8.29)
La Ecuación 8.29 se obtiene sustituyendo el valor de X que
proporciona la Ecuación 8.27 por el valor de r'g de la Ecuación
8.13 y dividiendo por el término (So - S), lo cual corresponde al
valor de rsu expresado en unidades de concentración.
8.6 PROCESOS BIOLÓGICOS DE TRATAMIENTO
El objetivo de esta sección es introducir al lector los
principales tipos de procesos de tratamiento biológicos que se han
desarrollado para el tratamiento de las aguas residuales e
identificar sus aplicaciones. En lo que resta del capítulo, se
analizan los procesos de tratamiento biológico más comúnmente
empleados para el tratamiento de las aguas residuales.
-
Definiciones útiles
Los términos que se definen a continuación son de gran utilidad
para comprender los conceptos en los que se basa el tratamiento
biológico:
Procesos aerobios. Son los procesos de tratamiento biológico que
se dan en presencia de oxígeno. Procesos anaerobios. Procesos de
tratamiento biológico que se dan en ausencia de oxigeno.
Desnitrificación anóxica. Es el proceso por el cual el nitrógeno de
los nitratos se transforma, biológicamente, en nitrógeno gas en
ausencia de oxígeno. Este proceso también se conoce con el nombre
de desnitrificación anaerobia. Eliminación biológica de nutrientes.
Término que se aplica a la eliminación de nitrógeno y fósforo
mediante procesos de tratamiento biológico. Procesos facultativos.
Son los procesos de tratamiento biológico en los que los organismos
responsables pueden funcionar en presencia o ausencia de oxígeno
molecular. Estos organismos se conocen con el nombre de organismos
facultativos. Eliminación de la DBO carbonosa. Es la conversión
biológica de la materia carbonosa del agua residual en tejido
celular y en diversos productos gaseosos. En la conversión, se
supone que el nitrógeno presente en los diferentes compuestos se
convierte en amoniaco. Nitrificación. Es el proceso biológico
mediante el cual el amoniaco se transforma, primero en nitrito y
posteriormente en nitrato.
Desnitrificación. Proceso biológico mediante el cual el nitrato
se convierte en nitrógeno gas y en otros productos gaseosos.
Substrato. Es el término empleado para representar la materia
orgánica o los nutrientes que sufren una conversión o que pueden
constituir un factor limitante en el tratamiento biológico. Por
ejemplo, la materia orgánica carbonosa presente en el agua residual
es el substrato objeto de conversión en el tratamiento biológico.
Procesos de cultivo en suspensión. Son los procesos de tratamiento
biológico en los que los microorganismos responsables de la
conversión de la materia orgánica u otros constituyentes del agua
residual en gases y tejido celular, se mantienen en suspensión
dentro del liquido. Procesos de cultivo fijo. Son los procesos de
tratamiento biológico en los que los microorganismos responsables
de la conversión de la materia orgánica u otros constituyentes del
agua residual en gases y tejido celular están fijados a un medio
inerte, tal como piedras, escorias, o materiales cerámicos y
plásticos especialmente diseñados para cumplir con esta función.
Los procesos de cultivo fijo también se conocen con el nombre de
procesos de película fija.
Procesos de tratamiento biológico
Los principales procesos biológicos aplicados al tratamiento de
las aguas residuales se recogen en la Tabla 8-6. Existen cinco
grupos principales: procesos aerobios, procesos anaerobios,
procesos anóxicos, procesos aerobios, anaerobios y anóxicos
combinados, y los procesos de lagunaje. Los procesos individuales
se pueden dividir, a su vez, dependiendo de si el tratamiento se
lleva a cabo en sistemas de cultivo en suspensión, en sistemas de
cultivo fijo, o en sistemas resultantes de la combinación de
ambos.
-
Se debe hacer constar que todos los procesos biológicos que se
emplean en el tratamiento del agua residual, como se muestra en la
Tabla 8-6, tienen su origen en fenómenos y procesos que se producen
en la naturaleza. Los ciclos aerobios y anaerobios, mostrados en
las Figuras 8-11 y 8-12 respectivamente, son ejemplos típicos. La
descomposición de los residuos se puede acelerar mediante el
control del medio ambiente y el entorno de los microorganismos. El
proceso de tratamiento biológico consiste en el control del medio
ambiente de los microorganismos, de modo que se consigan
condiciones de crecimiento óptimas.
Aplicación de los procesos de tratamiento biológico
Las principales aplicaciones de estos procesos, también
indicadas en la Tabla 8-6, son: (1) la eliminación de la materia
orgánica carbonosa del agua residual, normalmente medida como DBO,
carbono orgánico total (COT), o demanda química de oxigeno (DQO);
(2) nitrificación; (3) desnitrificación; (4) eliminación de
fósforo, y (5) estabilización de fangos. En lo que resta de este
capítulo se pondrá especial énfasis en la eliminación de la materia
carbonosa, ya sea mediante procesos aerobios o anaerobios. La
nitrificación, la desnitrificación y la eliminación del fósforo son
objeto de un estudio más profundo en el Capitulo 11, mientras que
la estabilización de fangos se aborda en el Capitulo 12.
TABLA 8-6 Principales procesos biológicos utilizados en el
tratamiento del agua residual
-
a La principal aplicación se presenta en primer lugar, entre
paréntesis se expones otros usos.
FIGURA 8-11 El ciclo aerobio en la naturaleza
-
FIGURA 8-12 El ciclo anaerobio en la naturaleza
8.7 PROCESOS DE TRATAMIENTO AEROBIO DE CULTIVO EN SUSPENSIÓN Los
principales procesos de tratamiento biológico de cultivo en
suspensión empleados para la eliminación de la materia orgánica
carbonosa son: (1) el proceso de fangos activados; (2) las lagunas
aireadas; (3) el reactor de flujo discontinuo secuencial, y (4) el
proceso de digestión aerobia. De todos ellos, el proceso de fangos
activados es, con mucho, el más ampliamente empleado en el
tratamiento secundario de las aguas residuales domésticas, razón
por la cual en esta sección se prestará especial atención a su
estudio. En la Sección 8.11, que trata la eliminación biológica de
nutrientes, se estudiará la nitrificación con cultivo en
suspensión.
Proceso de fangos activados
Este proceso fue desarrollado en Inglaterra en 1914 por Ardern y
Lockett [3], y su nombre proviene de la producción de una masa
activada de microorganismos capaz de estabilizar un residuo por vía
aerobia. En la actualidad, existen muchas versiones del proceso
original, pero son todas fundamentalmente iguales. El sistema que
se ilustra en la Figura 8-13 es el sistema de fangos activados con
reactor de mezcla completa. En la Tabla 8-10 se citan otros
sistemas de fangos activados cuyo estudio se aborda en el Capitulo
10.
-
Descripción del proceso. Desde el punto de vista del
funcionamiento, el tratamiento biológico de aguas residuales
mediante el proceso de fangos activados se suele llevar a cabo
utilizando un diagrama de flujo como el de la Figura 8-13. El
residuo orgánico se introduce en un reactor, donde se mantiene un
cultivo bacteriano aerobio en suspensión. El contenido del reactor
se conoce con el nombre de «liquido mezcla». En el reactor, el
cultivo bacteriano lleva a cabo la conversión en concordancia
general con la estequiometria de las Ecuaciones 8.30 y 8.31.
Oxidación y síntesis:
bacterias COHNS + O2 + nutrientes ------> CO2 + NH3 + C5H7NO2
+ otros productos finales (8.30) (materia organica) (nuevas celulas
bacterias) Resp n bacterias
iración e dógena:
C5H7NO2 + 5 O2 -----> 5 CO2 + 2 H2O + NH3 + energía (8.31)
(celulas) 113 160 1 1,42 En estas ecuaciones, COHNS representa la
materia orgánica del agua residual. A pesar de que la reacción de
la respiración endógena conduce a la formación de productos finales
relativamente sencillos y al desprendimiento de energía, también se
forman algunos productos orgánicos estables. A partir de la
Ecuación 8.31 se puede observar que si todas las células se oxidan
por completo, la DBO última de las células equivale a 1,42 veces el
valor de la concentración de células.
FIGURA 8-13 Esquema de un reactor de mezcla completa con
recirculación celular y purga: (a) desde el reactor, y (b) desde la
línea de recirculación. El ambiente aerobio en el reactor se
consigue mediante el uso de difusores o de
-
aireadores mecánicos, que también sirven para mantener el
liquido mezcla en estado de mezcla completa. Al cabo de un periodo
determinado de tiempo, la mezcla de las nuevas células con las
viejas se conduce hasta un tanque de sedimentación para su
separación del agua residual tratada. Una parte de las células
sedimentadas se recircula para mantener en el reactor la
concentración de células deseada, mientras que la otra parte se
purga del sistema (véase Fig. 8-13b). La fracción purgada
corresponde al crecimiento de tejido celular r'g (véase Ec. 8.11),
asociado a un agua residual determinada. El nivel al que se debe
mantener la masa biológica depende de la eficacia deseada en el
tratamiento y de otras consideraciones relacionadas con la cinética
del crecimiento. En la Tabla 10-5 del Capitulo 10 se citan las
concentraciones de microorganismos mantenidas en varios sistemas de
tratamiento de fangos activados. Microbiología del proceso. Para
proyectar un sistema de fangos activados correctamente y con las
debidas garantías de buen funcionamiento. es necesario comprender
la importancia de los microorganismos dentro del sistema. En la
naturaleza, el papel clave de las bacterias es descomponer la
materia orgánica producida por otros organismos vivos. En el
proceso de fangos activados, las bacterias son los microorganismos
más importantes, ya que son los causantes de la descomposición de
la materia orgánica del afluente. En el reactor, o tanque de
aireación, las bacterias aerobias o facultativas utilizan parte de
la materia orgánica del agua residual con el fin de obtener energía
para la síntesis del resto de la materia orgánica en forma de
células nuevas, como se muestra en la Figura 8-1. En realidad, sólo
una parte del residuo original se oxida a compuestos de bajo
contenido energético tales como el NO3-, el SO4-2 O el CO2; el
resto se sintetiza en forma de materia celular. Los productos
intermedios que se forman antes de producirse los productos finales
de oxidación son muy diversos, algunos de los cuales se muestran en
el término de la derecha de la Ecuación 8.30. En general, las
bacterias que intervienen en el proceso de fangos activados
incluyen los géneros Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter,
Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium, y las dos
bacterias nitrificantes más comunes, los Nitrosomas y las
Nitrobacter [13,14]. Adicionalmente, se pueden presentar diversas
formas filamentosas tales como la Sphaerotilus, Begiatoa,
Thiothrix, Lecicothrix,y Geotrichum [13, 14]. En tanto que las
bacterias son los microorganismos que realmente degradan el residuo
orgánico del afluente, las actividades metabólicas de otros
microorganismos son, igualmente, importantes en el sistema de
fangos activados. Por ejemplo, los protozoos y rotíferos ejercen
una acción de refino de los efluentes. Los protozoos consumen las
bacterias dispersas que no han floculado y los rotíferos consumen
cualquier partícula biológica pequeña que no haya sedimentado. Por
otro lado, del mismo modo que es importante que las bacterias
descompongan el residuo orgánico tan pronto como sea posible,
también lo es el que formen un flóculo adecuado, puesto que este
punto constituye un requisito previo para la separación de los
sólidos biológicos en la instalación de sedimentación. Se ha
observado que cuando se aumenta el tiempo medio de retención
celular mejoran las características de sedimentación del flóculo
biológico. En el caso de aguas residuales domésticas, los tiempos
medios de retención celular necesarios para conseguir una buena
sedimentación oscilan entre 3 y 4 días. En la Tabla 10-5 se indican
unos valores típicos de los tiempos medios de retención celular
empleados en el proyecto y funcionamiento de diversos procesos de
fangos activados. Aunque se obtenga una excelente formación de
flóculos, el efluente del sistema podría tener un alto contenido de
sólidos biológicos, como consecuencia de un mal diseño de la unidad
de sedimentación secundaria, mal funcionamiento de los dispositivos
de
-
aireación, o por la presencia de organismos filamentosos como el
Spbaerotilus, los E. coli u hongos [14, 17, 42]. Estos temas se
tratarán más adelante en este capitulo, y se analizan con mayor
profundidad en el Capitulo 10.
Análisis del proceso: Reactor de mezcla completa con
recirculación. En el sistema de mezcla completa, que se ilustra de
forma esquemática en la Figura 8-13 y en la fotografía de la Figura
8-14, el liquido del reactor se mezcla completamente, y se supone
que el contenido de microorganismos en el agua que entra al reactor
es nulo. Como se muestra en la Figura 8-13, la unidad de separación
de sólidos (tanque de sedimentación) en la que se separan las
células del reactor para su posterior recirculación, es una parte
integral del proceso de fangos activados. Debido a la presencia de
esta unidad de separación de sólidos, la elaboración de un modelo
cinético para describir este sistema precisa de dos hipótesis
adicionales: 1. La estabilización de los residuos por parte de los
microorganismos se produce únicamente en el reactor. Esta hipótesis
conduce a un modelo conservativo (en algunos sistemas se puede
producir cierto grado de estabilización de los residuos en la
unidad de sedimentación). 2. El volumen utilizado al calcular el
tiempo medio de retención celular del sistema sólo incluye el
volumen del reactor.
FIGURA 8-14 Reactor típico de mezcla completa con aireador de
superficie.
En efecto, se supone que el tanque de sedimentación sirve como
depósito desde el que se recirculan los sólidos para mantener un
nivel determinado de éstos en el tanque de aireación. Si el sistema
es tal que no se cumplen estas hipótesis, es necesario introducir
modificaciones en el modelo propuesto. Por ejemplo, en sistemas de
fangos activados con oxígeno puro, se ha demostrado que más del 50
por 100 de los sólidos totales del sistema pueden estar presentes
en el tanque de sedimentación secundaria. Este tema se considera
con mayor profundidad y detalle, tanto en la discusión que sigue
como en el Capítulo 10. El tiempo medio de retención hidráulica del
sistema, THETAs se define como:
-
THETAs = VT/Q = (Vr + Vs) / Q (8.32)
donde: VT = volumen del reactor + volumen del tanque de
sedimentación. Q = caudal afluente. Vr = volumen del reactor. Vs =
volumen del tanque de sedimentación. El tiempo medio de retención
hidráulica del reactor, THETA, se define como:
THETA = Vr / Q (8.33)
donde Vt = es el volumen del reactor. Para el sistema de la
Figura 8-13u, el tiempo medio de retención celular Q, definido como
la masa de microorganismos del reactor dividida por la masa diaria
de microorganismos purgada del sistema, viene dado por la siguiente
expresión:
THETAc = VrX/(QwX + QeXe) (8.34)
donde: Qw = caudal del líquido que contiene las células
biológicas que hay que purgar del sistema (en este caso, del
reactor). Qe = caudal de líquido efluente de la unidad de
separación. Xe = concentración de microorganismos en el efluente de
la unidad de separación de sólidos. Para el sistema de la Figura
8-13b, el tiempo medio de retención celular viene dado por la
siguiente expresión:
THETAc = VrX/(Q'wX + QeXe) (8.35)
donde: Xr = concentración de microorganismos en la línea de
recirculación de fangos. Q'w = tasa de purga de células desde el
caudal de recirculación. Es conveniente hacer mención del hecho de
que, a menudo, en la literatura referente a este tema, el valor de
THETAc se suele calcular considerando la masa total de
microorganismos contenidos, tanto en el reactor como en el tanque
de sedimentación. Ambos métodos son aceptables, mientras se
especifique con elaridad las bases de cálculo empleadas. Comparando
la Ecuación 8.34 o la 8.35 con las Ecuaciones 8.32 y 8.33, se puede
apreciar que para un volumen dado del reactor, el valor de THETAc
es independiente tanto de THETA como de THETAs. Sin embargo, en la
práctica, THETAc no puede ser totalmente independiente de los
valores de THETA y THETAs. Los factores que relacionan THETAc con
THETA y THETAs se tratarán más adelante. En relación con la Figura
8-13a, se puede escribir un balance de masas para los
microorganismos del sistema global de la siguiente manera: 1.
Planteamiento general:
-
Velocidad de acumulación de microorganismos dentro de los
límites del sistema = = Cantidad de microorganismos que entran en
el sistema - - Cantidad de microorganimos que salen del sistema + +
Crecimiento neto de microorganismos dentro de los limites del
sitema (8.36)
2. Planteamiento simplificado:
Acumulación = Entrada - Salida + Crecimiento neto (8.37)
3. Representación simbólica:
(dX/dt) Vr = QXo - [QwX + QeXe] + Vr(r'g) (8.38)
Sustituyendo la Ecuación 8.11 por la tasa de crecimiento y
suponiendo que la concentración de células en el afluente es nula y
que prevalecen condiciones estacionarias (dX/dt = 0), se
obtiene:
(QwX + QeXe)/VrX = -Y rsu/X - kd (8.39)
El término de la izquierda de la Ecuación 8.39 representa el
inverso del tiempo medio de retención celular definido
anteriormente (véase Ec. 8.34). Empleando la Ecuación 8.35, la
Ecuación 8.39 se puede simplificar y reordenar para obtener:
1/THETAc= -Y rsu/X - kd (8.40)
El término rsu se determina por medio de la siguiente
expresión:
rsu = -Q/Vr (So - S) = - (So - S)/THETA (8.41)
donde: (So - S) = cantidad de substrato utilizada, mg/l. So =
concentración de substrato en el afluente, mg/l. S = concentración
de substrato en el efluente, mg/l. THETA = tiempo de detención
hidráulica, d. La concentración de microorganismos en el reactor,
X, se puede obtener sustituyendo la Ecuación 8.41 en la 8.40 y
despejando el valor de X:
X = (THETAc/THETA) · Y(So -S)/(1+kd THETAc) (8.42)
Haciendo un balance del substrato, se obtiene que la
concentración de substrato en el efluente es:
S = Ks(1+THETAc kd)/(THETAc(Yk -kd) - 1) (8.43)
Es conveniente resaltar la igualdad existente entre la Ecuación
8.43 y la Ecuación 8.28, que se desarrolló para un reactor de
mezela completa sin recirculación. La ecuación correspondiente para
la producción observada en un sistema con recirculación es la misma
que la Ecuación 8.29, sustituyendo THETA por THETAc o THETAct como
se muestra a continuación:
-
Yobs = Y/(1+kd THETAc o THETAct) (8.44)
Relaciones para el diseño y control del proceso. A pesar de que
las Ecuaciones 8.42 y 8.43 pueden ser útiles para predecir los
efectos de los diferentes cambios que puedan producirse en el
sistema, presentan cierta dificultad para su aplicación para el
diseño debido a la cantidad de constantes incluidas en las mismas.
Por esta razón se han desarrollado relaciones más prácticas para el
diseño del proceso. Las relaciones que hay que considerar en esta
discusión incluyen la tasa de utilización específica, el tiempo
medio de retención celular, y la relación alimento-microorganismos.
La relación entre la tasa de utilización específica y el tiempo
medio de retención celular es, asimismo, analizada. En la Ecuación
8.40, el término (- rsu/X) se conoce como la tasa de utilización
específica del substrato, U. Empleando la definición de rsu dada en
la Ecuación 8.41, la tasa de utilización específica se puede
calcular de la siguiente manera:
U = -rsu / X = (So - S)/THETA · X = (Q/Vr) ((So - S) / X)
(8.45)
Si se sustituye el término U por (rsu/X) en la Ecuación 8.35, la
ecuación que resulta es:
1/THETAc = YU - kd (8.46)
De la Ecuación 8.46 se puede observar que 1/THETAc, la tasa neta
de crecimiento específico, y U, la tasa de utilización específica,
están directamente relacionadas. Para determinar la tasa de
utilización específica, U, es necesario conocer el substrato
utilizado y la masa de microorganismos que interviene en esta
utilización. El substrato utilizado se puede obtener como la
diferencia entre la DQO o la DBO5 a la entrada y a la salida del
sistema. La dificultad de la evaluación de la masa activa de
microorganismos es el principal problema, y es la razón que suele
hacer poco práctico el uso del parámetro U como parámetro de
control. Si se emplea el valor de THETAc como parámetro de control
del tratamiento, no es necesario determinar la cantidad sólidos
biológicos activos contenidos en el sistema, ni evaluar la cantidad
de alimento utilizado. El uso de THETAc se basa, simplemente, en el
hecho de que, para controlar la tasa de crecimiento y por lo tanto
el grado de estabilización del residuo, es necesario purgar cada
día un porcentaje determinado de la masa celular del sistema. Por
lo tanto, si para alcanzar un determinado nivel de tratamiento se
necesita un valor de 10 días, ello implica que cada día es
necesario purgar el 10 por 100 de la masa celular de todo el
sistema. En el sistema de mezela completa con recirculación, la
purga de las células se puede realizar en el conducto de
recirculación al reactor o, directamente, del líquido mezela. Si se
hace directamente en el reactor y se considera que la concentración
de sólidos en el efluente es despreciable, sólo es necesario
conocer los valores de Qw y Vr para determinar el valor de THETAc
mediante la Ecuación 8.34. Por lo tanto, la purga de células,
mediante este procedimiento, proporciona un método directo para la
medida y el control de THETAc. En la práctica, para obtener un
fango más concentrado, lo que se hace es purgar fango desde el
conducto de recirculación. Suponiendo que el valor de Xc sea muy
pequeño, la Ecuación 8.35 se puede reescribir en la forma:
THETAc = VrX / Q'wXr (8.47)
-
Por lo tanto, la purga desde el conducto de recirculación
precisa el conocimiento de la concentración de microorganismos,
tanto en el líquido mezcla como en el fango de recirculación. Un
término que está íntimamente ligado a la tasa de utilización
específica, U, y que se usa habitualmente en la práctica como
parámetro de diseño y de control es la relación
alimento-microorganismos (F/M), que se define como:
F/M = So /(THETA X) (8.48)
Los términos U y (F/M) están relacionados por el rendimiento del
proceso en la forma:
U = (F/M) E/100 (8.49)
donde E es el rendimiento del proceso, cuya definición es la
siguiente:
E = ((So - S)/So) · 100 (8.50)
donde: E = rendimiento del proceso, porcentaje. So =
concentración de substrato en el afluente. S = concentración de
substrato en el efluente. La aplicación de estas relaciones al
diseño de los procesos se ilustra en el Ejemplo 8-1. Ejemplo 8-1.
Análisis del proceso de fangos activados. Se desea tratar un
residuo orgánico con una DBO5 soluble de 250 mg/l mediante un
proceso de fangos activados de mezcla completa. La DBO5 del
efluente debe ser inferior a 20 mg/l. Supóngase que la temperatura
es de 20ºC, el caudal es de 0,25 m3/s, y que son de aplicación las
siguientes condiciones: 1. Los sólidos suspendidos volátiles del
afluente al reactor son despreciables. 2. Concentración del fango
de retorno = 10.000 mg/l de sólidos en suspensión = 8.000 mg/l de
sólidos suspendidos volátiles. 3. Sólidos suspendidos volátiles en
el líquido mezcla (SSVLM) = 3.500 mg/l = 0,8 · SSLM totales. 4.
Tiempo medio de retención celular: THETAc = 10 días. 5. Régimen
hidráulico del reactor = mezela completa. 6. Coeficientes
cinéticos, Y = 0,65, (kilos de célula)/(kilos DBO5 utilizada) =
0,06 d-1. 7. Se estima que el efluente contendrá alrededor de 20
mg/l de sólidos biológicos, de los que un 80 por 100 son volátiles
y un 65 por 100 son biodegradables. Supóngase que la DBO5 de los
sólidos biológicos biodegradables se puede obtener multiplicando la
DBO última por el factor 0,68 [e.d. el valor de K en la ecuación de
la DBO es K = 0,1 d-1 (base 10)]. 8. El agua residual contiene
nitrógeno, fósforo y otros nutrientes a nivel de trazas en
cantidades suficientes para el crecimiento biológico. Solución 1.
Estimar la DBO5 soluble del efluente: DBO5 del efluente = DBO5
soluble del afluente que escapa al tratamiento + DBO5 de los
-
sólidos en suspensión del afluente 20 = S + 20(0,65)(1,42)(0,68)
S = 7,4 mg/l de DBO5 soluble La eficacia del tratamiento biológico,
analizada en términos de DBO5, es:
Es = ((250 - 7,4)/250) · (100) = 97 %
La eficacia conjunta de la planta es
Econjunta = ((250 - 20)/250) · (100) = 92 %
2. Calcular el volumen del reactor. El volumen del reactor se
puede determinar empleando la Ecuación 8.42 sustituyendo V/Q por
THETA y reordenando la ecuación de la siguiente manera:
XV = YQTHETAc(So - S) / (1+kd · THETAc) 3.500 mg/l (V m3/d)=
0,65(21.600 m3/d) (10 d)(250 mg/l - 7,4 mg/l) / (1+(0,06/d)(10d)) V
= 6.082,3 m3
3. Calcular la masa de fango producido a) La producción
observada es:
Yobs = Y / (1 + kd THETAc) = 0,65 / (1+0,06(10)) = 0,406
h) La producción de biomasa es: Producción de biomasa,
kg SSV/dia = Y mg/mg [(So - S) mg/l] [Q m3/s] [86400 s/d]
[1/1000 kg/g] = (0,406) (250 - 7,4) (0,25) (86.400) (l/l.000) =
2.127 kg SS/d
4. Cálculo de la biomasa purgada, tanto si se purga del reactor
(Fig. 8-13a) como si se purga de la conducción de recirculación
(Fig. 8-13b). Es necesario tener en cuenta los sólidos que se
pierden en el efluente de la planta (véase el comentario que figura
al final del problema). Supóngase también que Qe = Q y que los SSV
en el efluente son 16 mg/l (0,80 · 20 mg/l). a) Determinar el
caudal purgado desde el reactor empleando la Ecuación 8.34:
THETAc = VrX/(QwX + QeXe) 10 = (6.082,3 m3)(3.500 mg/l)/((Qw
m3/d)(3.500 mg/l) + (21.600 m3 d)(16 mg/l)) Qw= 509 m3
b) Caudal purgado desde la conducción de retorno:
-
THETAc = VrX / (Q'wXr + QeXe) 10 = (6.082,3)(3.500mg/l) / ((Qw
m3/d)(8.000mg/l) + (21,60 m3/d)(16 mg/l)) Qw = 222,9 m3/d
Nótese que en ambos casos, el peso del fango purgado es el mismo
(2.127 kg de SSV/d), y que ambos métodos de purga proporcionan un
valor de 10 días.
5. Calcular la relación de recirculación haciendo un balance de
masa respecto al reactor despreciando los sólidos suspendidos del
afluente:
Concentración de SSV en el aireador = 3.500 mg/l Concentración
de SSV en el retorno = 8.000 mg/l
3.500(Q + Qr) = 8.000(Qr) Qr/Q = R = 0,78
6. Calcular el tiempo de detención hidráulica del reactor:
TRH = V / Q = 6.082,3 m3 / 21.600 m3/d = 0,28 d = 6,7 hr
7. Comprobar la tasa de utilización específica de substrato y el
factor de carga volumétrica: a) La tasa de utilización específica
es:
U = (So - S)/(THETA X) = (250 - 7,4 mg/l)/0,28 d(3.500 mg/l) =
0,25 (mg DBO5 utilizados) / (mg SSVLM · d)
b) La relación F/M es:
F/M = So/(THETA X) = 250/0,28 d(3.500 mg/l) = 0,255 (mg DBO5
aplicada) / (mg SSVLM · d)
c) La carga volumétrica, expresada como kg DBO5/m3 es:
CV = (So mg/l)(Q m3/d)(1/106 kg/mg)(1.000 1/m3) / (Vm3)
=250(21.600)(1/l.000)/6.082,3 = 0,887 kg DBO5 aplicada/m3
Comentario. Si no se tiene en cuenta los sólidos del efluente en
el momento de calcular el caudal purgado, el valor real del tiempo
medio de retención será inferior al valor de proyecto. En este
ejemplo, si se despreciaran los sólidos volátiles del efluente, el
tiempo medio de retención celular rondaría los 8,5 días. Eficacia y
estabilidad del proceso. En este apartado se estudiarán en mayor
profundidad los efectos de la cinética, comentados anteriormente,
sobre la eficacia y
-
estabilidad del sistema ilustrado en la Figura 8-13. Como se vio
en la Ecuación 8.46, la tasa de crecimiento neta de
microorganismos, 1/THETAc , estaba directamente relacionada con U,
la tasa de utilización específica. Combinando las Ecuaciones 8.45 y
8.26, se puede ver que:
U = kS/(Ks + S) (8.51)
relación a partir de la cual se puede obtener la siguiente
ecuación:
S = UKs / (k - U) (8.52)
Para un efluente y comunidad biológica dados, y para un conjunto
determinado de condiciones ambientales, quedan fijados los valores
de los coeficientes Y, k, Ks y kd. (Es importante hacer mención del
hecho de que la gran variabilidad que presenta la composición de
las aguas residuales domésticas puede invalidar su tratamiento como
un único tipo de residuo a la hora de evaluar los coeficientes
cinéticos). Para valores determinados de estos coeficientes, la
concentración de residuo en el efluente del reactor es función
directa de THETAc o de U, como muestra la Ecuación 8.51. Fijando el
valor de uno de estos tres parámetros, no sólo se fija el valor de
los otros dos, sino que también se determina la eficacia y el
rendimiento del proceso biológico de estabilización de los
residuos. La Figura 8-15 ilustra las representaciones gráficas de
las Ecuaciones 8.42 y 8.43 para un sistema de mezcla completa con
recirculación con un crecimiento específico determinado. Como se
puede ver, la concentración del efluente y el rendimiento del
proceso están directamente relacionados con el valor de THETAc. A
partir de la Figura 8-15, también se puede apreciar que existe un
cierto valor de THETAc por debajo del cual no se produce
estabilización alguna del residuo. Este valor crítico de THETAc se
conoce con el nombre de tiempo medio de retención celular mínimo
THETAcm. Físicamente, THETAcm es el tiempo de retención para el
cual las células se extraen o son eliminadas del sistema por
arrastre antes de que se puedan reproducir. El tiempo medio de
retención mínimo se puede calcular mediante la Ecuación 8.53,
obtenida a partir de las Ecuaciones 8.39, 8.6 y 8.7.
FIGURA 8-15 Concentración de residuo en el efluente y eficacia
de eliminación respecto al tiempo medio de retención celular para
reactores de mezcla completa y de flujo en pistón con
recirculación.
-
Es conveniente mencionar el hecho de que cuando se produce una
eliminación por arrastre de las células, coinciden las
concentraciones del afluente, So, y del efluente, S.
1/THETAcm = Y (kSo / (Ks + So)) - kd (8.53)
En el tratamiento de aguas residuales, los casos en los que So
es mucho mayor que Ks son muy abundantes, de modo que se puede
reescribir la Ecuación 8.46 para obtener:
1/THETAcm = Yk - kd (8.54)
Las Ecuaciones 8.53 y 8.54 se pueden emplear para determinar el
tiempo medio de retención celular mínimo, THETAcm. Los valores
típicos de los coeficientes cinéticos que se pueden emplear para
determinar el valor de THETAcm se muestran en la Tabla 8-7.
Evidentemente, los sistemas de tratamiento biológico no se deben
proyectar con valores de iguales a THETAcm. Para asegurar un
tratamiento adecuado, los sistemas de tratamiento biológico se
suelen proyectar y hacer funcionar con valores de 2 a 20 veces
THETAcm. En efecto, la relación entre THETAc y THETAcm se puede
considerar como un factor de seguridad del proceso FS [19].
FS = THETAc/THETAcm (8.55)
Flujo en pistón con recirculación. El sistema de flujo en pistón
con recirculación celular, mostrado de forma esquemática en la
Figura 8-16 y en la fotografía de la Figura 8-17, se puede emplear
para modelar ciertas formas del proceso de fangos activados. La
característica que distingue este sistema con recirculación es que
el régimen hidráulico del reactor es del tipo de flujo en pistón.
En un modelo de flujo en pistón verdadero, todas las partículas que
entran en el reactor permanecen en el interior del mismo durante
idéntico periodo de tiempo. Debido a la recirculación, algunas
partículas pueden pasar por el reactor en más de una ocasión, pero
mientras están en el interior del tanque, todas permanecen el mismo
tiempo.
FIGURA 8-16 Reactor de flujo en pistón con recirculación
celular.
-
FIGURA 8-17 Reactores de flujo continuo típicos: (a) con
difusores de burbuja fina, y (b) con difusores de burbuja
gruesa.
Un modelo cinético del sistema de flujo en pistón es
matemáticamente difícil de obtener, pero Lawrence y McCarty [18]
hicieron dos hipótesis simplificativas que conducen a un modelo
cinético útil para describir el funcionamiento de un reactor de
flujo en pistón: 1. La concentración de microorganismos en el
afluente al reactor es aproximadamente la misma que la del efluente
del mismo. Esta hipótesis se aplica sólo en los casos en los que
THETAc/THETA > 5. La concentración media de microorganismos en
el reactor que resulta se simboliza con X. 2. La tasa de
utilización del substrato, al pasar el residuo a través del
reactor, viene dada por la siguiente expresión:
rsu = -(kSX/(Ks + S)) (8.56)
-
Integrando la Ecuación 8.56 sobre el tiempo de retención del
residuo en el tanque, y simplificando, la expresión que resulta es
la siguiente:
1/THETAc = (Yk(So - S) / ((So - S) + (1 + alfa)Ks ln (Si/S))) -
kd (8.57)
donde: So = concentración del afluente. S = concentración del
efluente. Si = concentración del afluente al reactor tras la mezcla
con el caudal de recirculación
=(So + alfa ·S) / (1 + alfa)
alfa = relación de recirculación. Los demás términos ya se han
definido anteriormente. La Ecuación 8.57 es muy parecida a la
Ecuación 8.40, que se aplica a sistemas de mezcla completa, con o
sin recirculación. La principal diferencia entre ambas ecuaciones
es que en la Ecuación 8.57, THETAc también es función de la
concentración de residuo en el efluente. El sistema de flujo en
pistón con recirculación puro, es teóricamente más eficaz en la
estabilización de la mayoría de los residuos solubles que el
sistema de mezcla completa con recirculación, tal como se puede
apreciar en la Figura 8-15. En la práctica, es difícil conseguir un
régimen de flujo en pistón puro debido a la dispersión
longitudinal. Esta dificultad, junto con el hecho de que el sistema
de flujo en pistón no puede soportar elevadas cargas instantáneas
de la misma manera que el sistema de mezcla completa, tiende a
reducir las diferencias entre los rendimientos de ambos modelos. Se
ha podido comprobar que, al dividir el tanque de aireación en una
serie de reactores en serie, se puede mejorar la eficacia del
tratamiento sin que ello suponga una disminución de la capacidad
del sistema para soportar elevadas cargas instantáneas. La elección
de los diferentes tipos de reactores se analiza con mayor detalle
en el Capítulo 10.
Instalaciones de sedimentación para el proceso de fangos
activados. Es importante volver a destacar y recordar que el tanque
de sedimentación es un elemento integral del proceso de tratamiento
de fangos activados. No se puede considerar el diseño de un reactor
independientemente del de las instalaciones de sedimentación
asociadas. Para cumplir con las normativas de vertido en cuanto a
sólidos en suspensión y DBO asociados a los sólidos en suspensión
volátiles del efluente, y para mantener THETAc independiente de
THETA, es necesario tener la posibilidad de separar los sólidos del
líquido mezcla y recircular parte de ellos al reactor. Dado que la
microbiología del proceso es variable, se ha comprobado que las
características de sedimentación de los sólidos biológicos del
liquido mezcla son diferentes para cada planta, en función de las
características del agua residual y de las numerosas variables
asociadas al diseño y operación del proceso. Por ello, cuando se
proyectan instalaciones de sedimentación para una planta de
tratamiento, tanto nueva como ya existente, se deben realizar
ensayos de sedimentación en columna, y el proyecto deberá basarse
en los resultados de los mismos. Si no es posible realizar ensayos
de sedimentación, el proyecto deberá realizarse en función de las
cargas hidráulica y de sólidos. Ambos procedimientos se consideran
con mayor profundidad en el Capitulo 10.
-
El abultamiento del fango en el proceso de fangos activados
(Bulking). El término «bulking» se aplica a la condición en la que
se da una superabundancia de organismos filamentosos en el liquido
mezcla de un proceso de fangos activados (véase Fig. 8-18). La
presencia de organismos filamentosos provoca que los flóculos
biológicos del reactor sean voluminosos y poco consistentes. Los
flóculos así formados no sedimentan bien, y suelen ser arrastrados,
en grandes cantidades, en el efluente de los tanques de
sedimentación. Los organismos filamentosos que se presentan en el
proceso de fangos activados incluyen una variedad de bacterias
filamentosas, actinomicetos y hongos [17,42]. Las condiciones que
favorecen el crecimiento de los organismos filamentosos son muy
diversas, y varían para cada planta. El control de los organismos
filamentosos se ha conseguido de diferentes maneras, ya sea por
adición de cloro o de peróxido de hidrógeno al fango activado de
retorno, por alteración de la concentración de oxigeno disuelto en
el tanque de aireación, por alteración de los puntos de
alimentación del agua a tratar para incrementar el valor de la
relación F/M, mediante la adición de nutrientes básicos (p.e.
nitrógeno y fósforo), adición de nutrientes y factores de
crecimiento de traza o, más recientemente, mediante el uso de
selectores [2, 17, 42, 44]. El control del crecimiento de los
organismos filamentosos en procesos de mezcla completa se ha
conseguido mezclando el fango de retorno con el agua residual
entrante en un pequeño tanque de contacto anóxico conocido con el
nombre de «selector» [2,17]. A partir de la experiencia práctica,
se ha podido comprobar que el liquido mezcla de los procesos de
fangos activados con flujo en pistón sedimenta mejor que el
procedente de los procesos de mezcla completa, y que tiende a tener
menos organismos filamentosos. Asimismo, se ha podido apreciar que
también sedimenta mejor el liquido procedente de reactores
discontinuos secuenciales y fondo oscuro, y (f) filamentos de
Thiothrix, 400 aumento y fondo oscuro. A partir de la experiencia
práctica, se ha podido comprobar que el líquido mezcla de los
procesos de fangos activados con flujo en pistón sedimenta mejor
que el procedente de los procesos de mezcla completa, y que tiende
a tener menos organismos filamentosos. Asimismo, she podido
apreciar que también sedimenta mejor el líquido procedente de
reactores discontinuos secuenciales (véase el siguiente apartado).
Experimentalmente, como muestra la Figura 8-19, se ha podido
comprobar que la abundancia relativa de organismos filamentosos y
no filamentosos está relacionada con sus tasas de crecimiento
cuando se exponen a diferentes concentraciones de substratos (e.d.
concentraciones elevadas en el proceso con flujo en pistón, y bajas
en el proceso de mezcla completa). En relación con la Figura 8-19,
se puede concluir que los organismos no filamentosos que forman
flóculos presentan un valor de µmáx elevado pero una baja afinidad
al substrato (Ks alta), mientras que los filamentosos tienen un
valor µmáx de bajo y una alta afinidad por el substrato (Ks baja).
Por lo tanto, las bajas concentraciones de substrato que se
presentan en los reactores de mezcla completa favorecen el
crecimiento de los organismos filamentosos. Para mayores detalles
sobre el uso de selectores en el proceso de fangos activados,
consúltese la referencia bibliográfica [17] Por otra parte, el
diseño de selectores se aborda en el Capítulo 10.
-
FIGURA 8-18 Organismos filamentosos típicos presentes en el
fango abultado: (a y b) 100 aumentos; (c) 400 aumentos; (d y e)
filamentos de Sphaerotilus, 400 aumentos
-
FIGURA 8-19 Curvas de crecimiento típico para organismos
filamentosos y no filamentosos.
Lagunas aireadas Las lagunas aireadas (a veces denominadas
«estanques aireados»), se desarrollaron a partir de estanques de
estabilización facultativos en los que se instalaron aireadores de
superficie para eliminar los olores que se producían al estar
sometidas a sobrecargas orgánicas (véase Fig. 8-20). Aunque en la
literatura se pueden encontrar diversas definiciones de los
procesos de lagunas aireadas, en este texto se utilizará la
siguiente descripción de estos procesos.
FIGURA 8-20 Laguna aireada típica.
Descripción del proceso. El proceso del lagunaje aireado es
esencialmente el mismo que el de fangos activados de aireación
prolongada convencional (THETAc = 20 días),
-
excepto que se usa como reactor un depósito excavado en el
terreno. El oxígeno necesario en el proceso se suministra mediante
difusores o aireadores superficiales. En una laguna aerobia, la
totalidad de los sólidos se mantienen en suspensión. En el pasado,
las lagunas aireadas se operaban como los sistemas de fangos
activados sin recirculación, y solían ir seguidas de grandes
estanques de sedimentación. Para conseguir los niveles de
tratamiento secundario que especifica la U.S. Environmental
Protection Agency (véase Tabla 4-1), en la actualidad, se utilizan
muchas lagunas aireadas complementadas con instalaciones de
sedimentación e incorporando recirculación de sólidos
biológicos.
Microbiología del proceso. Dado que el proceso de lagunaje
aireado es, esencialmente, el mismo que el de fangos activados, la
microbiología es también similar. Existen algunas diferencias,
puesto que la gran superficie asociada a las lagunas aireadas puede
dar lugar a efectos térmicos más señalados de lo que es normal en
el proceso convencional de fangos activados.
En los sistemas de lagunas aireadas es posible llevar a cabo el
proceso de nitrificación, tanto de forma estacional como en
continuo. El grado de nitrificación depende del diseño y de las
condiciones de funcionamiento del sistema, así como de la
temperatura del agua residual. Generalmente, cuanto más alta sea la
temperatura de ésta y cuanto menores las cargas (aumento del tiempo
de retención del fango), mayor será el grado de nitrificación
alcanzable.
Análisis del proceso. El análisis de una laguna aireada se puede
llevar a cabo utilizando la técnica descrita en la Sección 8.5 para
un sistema aerobio de mezcla completa sin recirculación, o bien el
procedimiento descrito anteriormente en esta sección para un
proceso de fangos activados con recirculación, dependiendo del
método de funcionamiento utilizado.
Otro enfoque diferente consiste en suponer que la eliminación de
la DBO5, tanto la total asociada a la fracción soluble y a los
sólidos en suspensión como solamente la soluble, se pueden
describir en términos de una función de primer orden (rsu = - k ·
S) o de cuasi segundo orden (rsu = - k · S · X). El análisis de un
reactor de mezcla completa sin recirculación ya se ha realizado
anteriormente en este capítulo (véase Sección 8.5) y se detalla,
adicionalmente, en el apéndice G. Las ecuaciones correspondientes
para una laguna aireada única son las siguientes: Para una cinética
de primer orden:
S/So = 1 / (1 + k1 (V/Q)) (8.58)
Para cinética de cuasi segundo orden:
S/So = 1 / (1 + k2X (V/Q)) (8.59)
donde: S = concentración de DBO5 del efluente, mg/l. So =
concentración de DBO5 del afluente, mg/l. k1, k2 = constante de
eliminación global de la DBO5, L/mg · d. V = volumen, m3. Q =
caudal, m3/día.
-
X = sólidos en suspensión del liquido mezcla, mg/l. La ecuación
correspondiente, deducida de la consideración de la cinética de
eliminación del substrato soluble dada por la Ecuación 8.8 es:
S/So = 1 / (1 + [kX/(Ks + S)] (V/Q)) (8.60)
Los términos de la Ecuación 8.60 ya se han definido
anteriormente. La aplicación de las Ecuación 8.58, 8.59 y 8.60 se
trata en el Problema 8.17 y en el Ejemplo 10-5 del Capitulo 10.
Reactor discontinuo secuencial
Un reactor discontinuo secuencial (SBR) es un sistema de
tratamiento de fangos activados cuyo funcionamiento se basa en la
secuencia de ciclos de llenado y vaciado. Los procesos unitarios
que intervienen son idénticos a los de un proceso convencional de
fangos activados. En ambos sistemas intervienen la aireación y la
sedimentación-clarificación. No obstante, existe entre ambos una
importante diferencia. En las plantas convencionales, los procesos
se llevan a cabo simultáneamente en tanques separados, mientras que
en los SBR, los procesos tienen lugar secuencialmente en el mismo
tanque. Descripción del proceso. Tal como se emplean hoy en día,
todos los sistemas de SBR tienen en común cinco etapas, que tienen
lugar de forma secuencial: (1) llenado; (2) reacción (aireación);
(3) sedimentación (clarificación); (4) extracción (vaciado por
decantación), y (5) fase inactiva. Cada uno de estos pasos se
ilustra en la Figura 8-21 y se describe en la Tabla 8-8. Para
alcanzar objetivos de tratamiento específicos, se han introducido
numerosas modificaciones del proceso variando los tiempos asociados
a cada uno de los diferentes pasos [37].
-
FIGURA 8-21 Secuencia de funcionamiento típica para un reactor
discontinuo secuencial [37]. TABLA 8-8 Descripción de las
diferentes fases de funcionamiento de un reactor discontinuo
secuenciala
-
a Adaptado de la bibliografía [37]. b La purga de los fangos
suele tener lugar durante la fase de sedimentación o la fase
inactiva, aunque puede llevarse a cabo durante cualquier fase,
dependiendo del modo dc operación.
La purga del fango es otro paso importante en el funcionamiento
de los SBR que afecta, de manera importante, a su rendimiento. No
se incluye como una de las cinco etapas básicas del proceso, puesto
que no existe un momento determinado dedicado a la eliminación del
fango dentro del ciclo de funcionamiento. La cantidad de fango que
hay que purgar y la frecuencia con que se debe efectuar la purga se
determinan según las necesidades dictadas por los rendimientos,
como ocurre con el sistema de flujo continuo convencional. En el
funcionamiento de los SBR, la purga del fango suele realizarse en
la fase de sedimentación o en la de inactividad. Una característica
única de los SBR es que no es necesario disponer de un retorno de
fangos activados (RFA). Debido a que tanto la aireación como la
decantación tienen lugar en el mismo tanque, no se pierde cantidad
de fango alguna en la fase de rea