20 febrero 2012

Guía técnica para el diseño de sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales (4ª PARTE)


Mezcla

La digestión anaeróbica metanogénica comprende un grado inherente de mezcla de la elevación continua de burbujas de metano dentro del reactor, sin embargo, esta mezcla natural es usualmente considerada limitante para la transferencia de masa eficiente. Consecuentemente, el contacto entre la materia orgánica y los microorganismos  pueden ser mejorados por una mezcla realzada, llevando a un rendimiento más alto del reactor. El nivel y tipo de mezcla también afecta la tasa de crecimiento y distribución de microorganismos dentro del lodo, disponibilidad del sustrato y tasas de utilización, formación de gránulos, y producción de gas. La mezcla puede realzarse usando:



a)       Dispositivos mecánicos (paletas, turbinas e impulsores).
b)       Fuerza de corte hidráulica.
c)       Recirculación de gas.

Toxicidad e inhibición

La toxicidad es un efecto adverso en el metabolismo bacteriano, mientras que la inhibición es una discapacidad de de función bacteriana. Hay muchas sustancias que pueden estar presentes, ya sea por componentes en la alimentación de un reactor o como sub-producto de metabolismo anaeróbico, que puede ralentizar la tasa de digestión (toxicidad) o causar fallos del proceso (inhibición). Ejemplos comunes incluyen, metales pesados, álcalis y metales de tierra alcalinos, ácidos grasos volátiles, oxígeno, amoniaco y sulfuro.

Metales

Como hemos discutido anteriormente, un nivel traza de muchos iones metálicos se requiere para la función de ciertas enzimas y coenzimas, sin embargo, cantidades excesivas pueden dar como resultado toxicidad o inhibición. La toxicidad de metales pesados se cree ocurre a través de la disrupción estructural de enzimas y moléculas de proteínas dentro de la célula.

Ácidos grasos volátiles

Las altas concentraciones de VFA a menudo se asocian con los efectos de toxicidad e inhibición. Generalmente se cree que la inhibición de VFA se debe a su acumulación y a su acumulación y a una reducción consecuente del valor del pH. Sin embargo, varios experimentos han mostrado que los VFA son en sí mismo tóxicos. Por ejemplo, dependiendo del pH, concentraciones de ácido propiónico en orden de gramos por litro pueden ser toleradas con un grado mínimo de toxicidad. Sin embargo, en valores bajos de pH mucho más ácido propiónico existe en la forma HPr no disociada que es mucho más tóxica que el ión de propianato, Pr-, debido a su mayor permeabilidad de la membrana.

Oxígeno

Los anaerobios estrictos son muy sensibles a la exposición de oxígeno. El oxígeno puede causar una disociación irreversible de algunas enzimas y cofactores, tales como F420. Otro efecto adverso del oxígeno se debe a su capacidad para incrementar el potencial redox estándar (Eh). La producción de metano óptima ocurre con un potencial redox de entre – 520 y 530 mV con un valor limitante de alrededor de – 350 mv. Por lo tanto, los ambientes altamente reducidos (ausencia de oxígeno) deben mantenerse para promover las bacterias anaeróbicas. Sin embargo, la producción de metano es incluso posible en presencia de oxígeno debido a que muchas bacterias fermentativas implicadas en la etapa inicial son facultativas, y consumirían el oxígeno que puede estar presente en la alimentación del reactor.

Además, las bacterias anaeróbicas a menudo existen en comunidades estructuradas (ej., gránulos, biofilms y flocs) donde las capas exteriores de células son responsables de crear un microambiente conveniente para metanógenos sensitivos.

Amoniaco

El amoniaco es liberado por la fermentación de aminoácidos y proteínas y la descomposición de metilamina y otros compuestos nitrogenosos. Aunque el amoniaco actúa para amortiguar algo de la acidez generada por la digestión anaeróbica, sería beneficioso para las bacterias anaeróbicas en bajas concentraciones, las altas concentraciones pueden llevar a fallos del proceso. Dependiendo del pH de los reactores anaeróbicos, el amoniaco puede estar presente en forma de ión de amonio (NH4+) o como gas de amonio en solución (NH3). El equilibrio entre ellas puede expresarse como:

En valores de pH alrededor de la neutralidad, la mayoría (>99 %) del NH3-N estarán presentes como NH4. que es mucho menos tóxico que el amoniaco disuelto. Sin embargo, en valores de pH más altos que son compatibles con la digestión anaeróbica (pH 8), los cambios de equilibrio hacia el más tóxico amoniaco libre, con concentraciones del último casi un orden de magnitud más alto a pH 7. La concentración máxima del amoniaco libre (disuelto) no excede el umbral inhibidor de 150 mg/l.

Sulfuro

Las formas inorgánicas de sulfuro presentes en la alimentación del reactor, principalmente sulfatos, son rápidamente convertidos por bacterias reductoras de sulfatos (SRB) a la forma reducida, sulfuro (S2-), y sulfuro de hidrógeno (H2S), que se clasifican como inhibidores importantes de la digestión anaeróbica.  Se cree que la inhibición del sulfuro de la digestión anaeróbica procede de:

a)       Consumo competitivo de los sustratos metanogénicos, acetato e hidrógeno, además SRB reduce sulfato a sulfuro, disminuyendo la producción de metano.
b)       Es tóxico, incluso fatal, y afecta a los microorganismos anaeróbicos (reacciona químicamente con sus citocromos y otros compuestos no contaminantes del hierro.
c)       Precipitación de metales de trazas esenciales (micronutrientes) como sulfuros de metal insolubles.

El grado de inhibición de sulfuro es largamente dependiente del pH, temperatura, concentración de iones metálicos y tipo de operación. 

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