Guía técnica para el diseño de sistemas de tratamiento de aguas residuales (3ª PARTE)

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FACTORES AMBIENTALES AFECTANDO LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA

La degradación anaeróbica efectiva de materia orgánica requiere poblaciones sanas de grupos de bacterias relevantes trabajando en sinergia. En todos los procesos de tratamiento de aguas residuales, la retirada efectiva de contaminantes depende no solamente del potencial metabólico de los microorganismos, sino también de la existencia de condiciones ambientales convenientes para soportar estas actividades. En los procesos de tratamiento anaeróbicos, principalmente como resultado de la naturaleza crítica de las relaciones sintrópicas, las condiciones ambientales deben ser rigurosamente controladas. Factores tales como la composición de los nutrientes, temperatura, pH, mezcla, toxicidad e inhibición tienen que ser todas minuciosamente investigadas.

Nutrientes

Los requerimientos nutricionales de las bacterias anaeróbicas son de importancia fundamental debido a que el suministro de nutrientes es básico para construir los bloques celulares que aseguren que la célula es capaz de sintetizar las enzimas y cofactores que activan las reacciones metabólicas y bioquímicas.

Los nutrientes pueden dividirse en dos grupos, los macronutrientes y micronutrientes, de acuerdo con las cantidades relativas de la célula. Es esencial para ambos tipos de nutrientes estar presentes en una forma disponible en el ambiente de crecimiento para permitir la asimilación efectiva. Idealmente, los niveles de nutrientes estarán en exceso de la concentración requerida ya que las bacterias anaeróbicas pueden inhibirse severamente incluso por ligeras deficiencias de los nutrientes. Sin embargo, muchos nutrientes esenciales pueden ser tóxicos cuando están presentes en altas concentraciones.

Temperatura

La temperatura es uno de los factores ambientales que más influye ya que controla la actividad de todos los microorganismos. Generalmente, una elevación de la temperatura lleva a un incremento en la tasa de reacciones bioquímicas y enzimáticas dentro de las células, causando un incremento en las tasas de crecimiento. Sin embargo, por encima de una temperatura específica, que es característica de cada especie, este fenómeno produce inhibición, y luego mortalidad.

Aunque la formación de metano es biológicamente factible en todas las temperaturas entre o ºC y 100 ºC, hay dos rangos de temperaturas asociados a la digestión anaeróbica. Éstas son definidas como mesofílicas, con una temperatura óptima entre 30 – 37 ºC y una temperatura termofílica, con un óptimo entre 55 – 60 ºC.

Un tercer rango, favorecido por los organismos psicrofílicos, tienen una temperatura óptima en un rango 15 – 20 ºC.

Generalmente se cree que los reactores termofílicos son más eficientes que los mesofílicos. Los reactores termofílicos pueden también aceptar tasas de carga orgánica más altas producen menos cantidades de lodos. Sin embargo, hay también desventajas en los reactores termofílicos, estas desventajas incluyen:

a)       Son a menudo menos estables que los reactores mesofílicos.

b)       Requieren más energía para calentar el reactor.

c)       Producen altas concentraciones de VFA en sus efluentes.

Sin embargo, la digestión anaeróbica termofílica es una opción atractiva para tratar efluentes y lodos industriales calientes de composición relativamente constante.

Comparado con muchos procesos aeróbicos que son relativamente robustos a las variaciones de temperatura, la digestión anaeróbica es sensible a fluctuaciones de temperatura repentinas; cambios tan pequeños como 1 – 2 ºC  tienen efectos adversos significativos en el rendimiento del proceso particularmente cuando los cambios ocurren rápidamente (< 2 horas). Las bacterias quedan afectadas adversamente por las variaciones de temperatura del digestor, varios días o incluso semanas pueden requerirse para restaurar de nuevo una población saludable.

pH

Las bacterias anaeróbicas, especialmente metanógenas, exhiben una característica sensible a los extremos del pH. Por lo tanto, manteniendo un pH estable y conveniente dentro del digestor sería una prioridad mayor para asegurar la digestión metanogénica eficiente. Esto es debido a que la concentración de iones de hidrógeno tienen una influencia crítica en los microorganismos responsables de la digestión anaeróbica, la bioquímica de la digestión, buffering de alcalinidad y varias otras reacciones químicas afectando la solubilidad y disponibilidad de los iones disueltos. El mejor rango de pH aparece alrededor de la neutralidad, mientras que el rango entre 6,5 y 7,8 se cree es óptimo. Sin embargo, hay excepciones para las que no se ha dado ninguna explicación satisfactoria, tales como la digestión anaeróbica que ocurre bajo condiciones tan bajas como pH 3 y tan altas como pH 9,7. Hay cuatro tipos principales de reacciones químicas y bioquímicas que influyen en el pH de un digestor. Estas reacciones son:

a)       Consumo y liberación de amoniaco.

b)       Producción y consumo de ácidos grasos volátiles.

c)       La liberación de sulfuro por reducción disimilar de sulfato y sulfito.

d)       Conversión de carbono orgánico de carbono neutral a metano y dióxido de carbono.

En un digestor de trabajo efectivo, la reducción del pH puede contrarrestarse por procesos naturales tales como la alcalinidad de bicarbonatos y el consumo de ácidos grasos volátiles por metanógenos. Sin embargo, lo último es dependiente del equilibrio entre acidogénicos y metanógenos y esto puede compensarse fácilmente por cambios en las condiciones ambientales y operacionales. Sin embargo, lo último es dependiente del equilibrio entre acidogénicos y metanógenos y eso puede fácilmente compensarse por cambios en las condiciones ambientales y operacionales. Si esto ocurre, hay dos opciones para rectificar la situación. La primera aproximación es parar la alimentación del reactor, dando a los metanógenos suficiente tiempo para consumir el exceso de ácidos grasos y elevar el valor del pH a un nivel aceptable. La segunda opción es dosificar el reactor con álcalis, por ejemplo NaOH o Na₂CO₃, en orden de elevar el pH o proporcionar capacidad de almacenamiento en fubber adicional. En algunos casos ambas opciones pueden usarse simultáneamente.

Una apreciación de la alcalinidad de bicarbonatos y sus relaciones con la bioquímica de la digestión anaeróbica debe ganarse si se mantiene el equilibrio del pH. La alcalinidad en el agua es debida principalmente a sales de ácidos débiles y bases fuertes, (ej. iones bicarbonatos). Tales sustancias actúan como buffers cuando el pH del ambiente es igual a su valor pK_a, resistiendo cambios en la concentración de iones de hidrógeno que resultan de la producción o consumo de ácidos. Aunque la cantidad de alcalinidad requerida para acomodar el incremento de VFA en un reactor depende de muchos factores, los reactores anaeróbicos establecidos tratando cargas orgánicas típicas es probable que contengan alcalinidad en el rango de 2000 a 3000 mg/l como CaCO₃. Este nivel de alcalinidad impartirá una resistencia mejorada a la acidificación causada por fluctuaciones a largo plazo en la composición del alimento.

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