Tradicionalmente, las aguas residuales se han descargado
directamente a los cauces de aguas públicas, y esto todavía se hace en algunos
países industrializados, a la espera de su capacidad de auto-recuperación. Pero
las aguas de arroyos y ríos no tienen suficiente capacidad y acaban
sobrecargadas con materia orgánica y polución de nitrógeno, dando como
resultado un estado crónico de degradación. En la mayoría de los casos, es
necesario el tratamiento de aguas residuales antes de la descarga del efluente.
Uno de los tratamientos más populares es el biológico que más o menos imita los
procesos naturales de auto-purificación del agua, principalmente la degradación
orgánica y la conversión del nitrógeno a través de la acción bacteriana. Esto
puede hacerse mediante microorganismos fijados o suspendidos, dando lugar a dos
familias principales de procesos de tratamiento de aguas residuales. (a)
Procesos de film fijado, representado por el filtro de goteo, y los procesos de
crecimiento suspendido, tal como el lodo activado.
En primer lugar, debemos recordar que la ingeniería de estos
procesos naturales en un proceso de tratamiento de aguas residuales biológico
debe satisfacer los siguientes criterios:
- La concentración de biomasa en el reactor debe incrementarse.
- Debe suministrarse la demanda incrementada de oxígeno.
- Debe asegurarse un contacto óptimo entre la biomasa, los constituyentes de los residuos y el oxígeno disuelto.
- No debe permitirse que las sustancias tóxicas o inhibidores o los factores inhibidores alcancen niveles críticos en el reactor.
PROCESOS DE FILM FIJADO EN TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES
Desarrollo del biofilm
Los procesos de film fijados se basan en la capacidad de
diferentes microorganismos de crecer en superficies. Tienden a fijarse a
superficies sólidas debido a varios motivos.
a)
Disponibilidad de sustrato.
b)
Protección de ambientes peligrosos,
particularmente a corrientes de agua de alta velocidad.
c)
Interacción de fuerzas físicas como atracción,
adsorción y adhesión.
La adhesión de bacterias es, en general, un proceso en tres
pasos (adsorción, adhesión y adherencia) que tarda aproximadamente 20 o 30
minutos bajo condiciones ambientales óptimas. Los mecanismos de fijación
dependerán del tipo de bacterias y del tipo de superficie disponible para
colonizar.
Los microorganismos adsorbidos (específicamente bacterias) crecen,
se reproducen y producen sustancias poliméricas extracelulares, que
frecuentemente se extienden de la célula formando una matriz gelatinosa llamada
biofilm. Estos exopolímeros consisten principalmente en una gran variedad de
polisacáridos heterogéneos dependiendo del tipo de microorganismos implicados.
El mecanismo de retirada del sustrato dentro de un proceso
de film fijo es muy complejo. El fenómeno que tiene lugar cuando un biofilm
entra en contacto con un sustrato que contiene aguas residuales y oxígeno es el
siguiente:
- Transporte del sustrato y oxígeno de la superficie del sustrato al biofilm.
- Transporte interno del sustrato y oxígeno a través del biofilm por procesos de difusión.
- Oxidación del sustrato dentro del biofilm.
- Difusión de sub-productos a las aguas residuales.
Típicamente, después de que algunos microorganismos se han
adherido a un medio de superficie ellos comienzan a crecer, produciendo el
biofilm, que es aeróbico. Cuando el crecimiento continúa, la difusión de
oxígeno a través del biofilm puede llegar a ser limitante y una capa se
desarrolla a lo largo del medio de superficie. Así la retirada de materia
implica un crecimiento continuo de bacterias y consecuentemente un biofilm más
espeso. Este proceso de acumulación es generalmente equilibrado por el biofilm
desprendiéndose. Las siguientes condiciones son importantes para que ocurra el
desprendimiento:
- La erosión hidráulica actúa continuamente en la superficie del biofilm y lleva a un desprendimiento firme en el lado exterior.
- La degradación de las bacterias en fase endógena en el fondo del biofilm puede causar un debilitamiento de la adhesión.
- La formación del gas dentro del biofilm (ej. metano o nitrógeno) puede destrozar la adhesión.
El desarrollo de un biofilm de bacterias para la degradación
del sustrato es así un fenómeno complejo que está influido por muchos factores
tales como: Características de aguas residuales (naturaleza de sustrato, ratio
de nutrientes y condiciones ambientales), factores operacionales (inoculación,
tasa de carga orgánica, hidrodinámicas) y el medio de soporte.
El desarrollo de tecnologías basadas en el concepto de
crecimiento fijado por lo tanto necesita un buen conocimiento, no sólo de
comportamiento de proceso sino también de formación microbiológica y formación
del biofilm.
Procesos usuales
Los procesos de film fijado en tratamiento de aguas
residuales tienen ahora más de cien años, con la introducción a finales del
siglo XIX del filtro de goteo. Hasta los años ochenta los únicos componentes
adicionales fueron los contactores biológicos rotatorios (RBC). Los filtros
aireados biológicos (BAF) aparecieron en una escala industrial en los años 80,
mientras que los 90 vieron la llegada de los sistemas híbridos, que consistían
en sistemas de soporte de biomasa (BPS) inmersos en reactores AS.
Filtros de goteo
El filtro de goteo (trickling) o percolating es un reactor
de lecho compacto (2-3 m de profundidad) relleno con un medio consistente en
piedras de 5 – 10 cm con un área de superficie específica de 40 – 100 m2/m3.
El filtro de goteo es muy eficiente con respecto a la adhesión de bacterias,
contacto entre agua y biofilm y reaireación del agua.
Después de un paso de sedimentación primaria obligatorio,
las aguas residuales se distribuyen sobre un lecho de grava, se escurre hacia
abajo se colectan debajo del filtro y fluyen a un tanque de decantación
secundario llamado tanque de humus. La aireación se proporciona a través de
convección natural resultante de las diferencias de temperatura entre el aire
ambiente y el aire interno.
Los filtros de goteo pueden ser operados en modos
diferentes: paso simple, modo de doble filtración y recirculación.
Los efluentes de los filtros de goteo bien operados trabajan
en un rango de alrededor de 20 mg/l para BOD5 (demanda de oxígeno bioquímico) y SS. Los
filtros de goteo de cargas hidráulicas y orgánicas débiles (alrededor de 0,2 kg
BOD/m3 día y 0,66 m3/m2 día) pueden nitrificar
completamente. El proceso es así capaz de cumplir con consentimiento de
descarga de efluentes de 2 mg NH3-N/l.
El uso de medios plásticos, con un área de superficie
específica de alrededor de 200 m2/m3, hace posible crear
una gran superficie volumétrica en filtros de peso. Se aplican tasas de carga
hidráulicas y orgánicas más altas: 1 – 5 kg BOD / m3 día y 36 – 72 m3/m2
día. Tales filtros son, sin embargo, típicamente usados para el tratamiento de
aguas residuales industriales.
Ver 2ª PARTE
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