Guía técnica para el diseño de sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales (1ª PARTE)

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.

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