TRATAMIENTOS BIOLGICOS DE AGUAS RESIDUALES Jos Ferrer Polo Dpto. Ingeniera Hidrulica y Medio Ambiente Universidad Politcnica de Valencia Aurora Seco Torrecillas Dpto. Ingeniera Qumica Universitat de Valncia

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1. MTODOS BIOLGICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

1.1. Introduccin. Los tratamientos biolgicos tuvieron en un principio como objeto la eliminacin de la

materia orgnica de las aguas residuales. Posteriormente se les ha ido dando otros usos como son: la oxidacin del nitrgeno amoniacal (nitrificacin), la eliminacin del nitrgeno de las aguas residuales mediante la conversin de las formas oxidadas en N2 (desnitrificacin) o la eliminacin de fsforo.

En todo este tipo de procesos se utilizan reacciones asociadas a los organismos vivos.

Los microorganismos crecen utilizando los contaminantes del agua como fuente de carbono y/o como fuente de energa, convirtindolos en nuevos microorganismos (biomasa), dixido de carbono y otros compuestos inocuos. La fuente de carbono y/o energa se denomina sustrato, por lo que en estos tratamientos la eliminacin de contaminantes se conoce como consumo de sustrato. Los procesos de crecimiento de biomasa y de consumo de sustrato estn totalmente relacionados, denominndose rendimiento a la cantidad de biomasa generada por unidad de sustrato eliminado.

Los tratamientos biolgicos se prestan a diversas clasificaciones. Cabe distinguir entre

dos tipos claramente diferenciados:

1. Procesos biolgicos de cultivo en suspensin.

2. Procesos biolgicos de soporte slido. En todos estos procesos es preciso retener en el sistema la biomasa creada con objeto

de que se produzca el proceso. En los de cultivo en suspensin se suele recurrir a una decantacin y recirculacin de la biomasa, mientras que en los de soporte slido la retencin de la misma queda asegurada por las caractersticas del propio proceso.

Los sistemas ms caractersticos de los primeros son los fangos activados, las lagunas

aireadas, y el lagunaje. Entre los segundos se encuentran los filtros percoladores, los biodis-cos y los lechos de turba.

1.2. Organismos ms importantes que intervienen en los sistemas de tratamiento biolgico.

1.2.1. Introduccin.

Los organismos se pueden clasificar desde diversos puntos de vista. Desde el punto de

vista de la depuracin de aguas, la clasificacin trfica es de gran importancia. Los microorganismos necesitan para su crecimiento: carbono, nutrientes inorgnicos,

energa y poder reductor. Los microorganismos obtienen la energa y el poder reductor de las reacciones de oxidacin del sustrato. As, cuanto mayor es la DQO del sustrato, mayor es la energa y el poder reductor (electrones) que es capaz de suministrar un sustrato.

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Las reacciones de oxidacin del sustrato, por una parte suministran electrones a los transportadores de electrones transformando las formas oxidadas (NAD, nicotinamn-adenn-dinucletido) en las correspondientes formas reducidas (NADH2). Estas formas reducidas aportan los electrones necesarios en el proceso de sntesis celular.

Por otra parte, cuando los electrones suministrados en las reacciones de oxidacin del

sustrato pasan, a travs de la cadena de transporte de electrones, al aceptor final de electrones, se genera una gran cantidad de energa en forma de ATP (adenosn-trifosfato) que es utilizada en las reacciones de biosntesis.

En funcin de la fuente de carbono y del dador de electrones utilizados se clasifican

en auttrofos y hetertrofos. Son auttrofos aquellos organismos capaces de sintetizar materia orgnica a partir de las sustancias minerales (fuente de carbono el CO2 y utilizan como dador de electrones, materia inorgnica como NH4+ y NO2-). Los organismos hetertrofos son aquellos que precisan de la materia orgnica para su desarrollo y mantenimiento (fuente de carbono y dador de electrones, la materia orgnica).

En funcin del tipo de aceptor de electrones se clasifican en aerobios, anaerobios y

facultativos. Los denominados aerobios slo utilizan oxgeno. Los anaerobios slo pueden crecer en ausencia de oxgeno molecular y, los facultativos utilizan oxgeno cuando est presente pero pueden utilizar otro aceptor de electrones cuando no lo est. Dentro de este ltimo grupo cabe destacar las bacterias desnitrificantes que reducen el nitrato a nitrgeno molecular.

Figura 1.- Flculos tpicos de los fangos activados (cortesa de EGEVASA).

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1.2.2. Bacterias. Hay tanto formas auttrofas como hetertrofas. Estas ltimas utilizan para su

crecimiento compuestos orgnicos solubles. En los sistemas biolgicos de depuracin intervienen en mltiples procesos. Entre

ellos, el ms importante es el de la eliminacin de la materia orgnica por la va aerobia (oxidacin y sntesis de nuevos materiales orgnicos en forma de material celular). Pero tambin intervienen en los procesos de descomposicin anaerobia, as como en los de desnitrificacin, nitrificacin y acumulacin de fsforo en sistemas de eliminacin de nutrientes en plantas de fangos activados.

Figura 2.- Organismos filamentosos observados en plantas de tratamiento de aguas residuales (cortesa de EGEVASA).

En el proceso de fangos activados las bacterias constituyen normalmente el 95% de la

biomasa. Las bacterias aisladas tienen un tamao muy pequeo (0.5 1.0 m) por lo que sera imposible separarlas del agua tratada. Sin embargo, bajo condiciones adecuadas, las bacterias en el proceso de fangos activados crecen formando agregados que alcanzan tamaos entre 0.05 y 1.0 mm. Las bacterias responsables de la formacin de los bioflculos son las denominadas formadoras de flculos. De esta forma las bacterias sedimentan en el clarificador secundario, produciendo un efluente final clarificado y un fango espesado. En la Figura 1 se muestran ejemplos de flculo tipo. Sin embargo, no todas las bacterias en los fangos activados son capaces de formar flculos, pudindose desarrollar bacterias filamento-sas que pueden dar lugar a problemas operacionales. Aunque en pequeas proporciones estas

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bacterias contribuyen a dar fuerza al flculo frente a los esfuerzos cortantes de los equipos de aireacin, en grandes cantidades mantienen los flculos alejados unos de otros, dificultando la sedimentacin. Hay otro tipo de bacterias problemticas que provocan la aparicin de grandes cantidades de espumas en el reactor biolgico y en el decantador. Aproximadamente son 20 los organismos filamentosos diferentes que aparecen con frecuencia en los procesos de fangos activados. En la Figura 2 se muestran fotografas de la observacin al microscopio de algunos de los tipos ms comunes de bacterias filamentosas en las plantas de tratamiento de aguas residuales.

1.2.3. Protozoos.

Son microorganismos hetertrofos. La mayora de los protozoos viven libremente en

la naturaleza, aunque algunas especies son parsitas, viviendo en un organismo husped, que puede variar desde algas hasta seres humanos. La mayora son aerobios o anaerobios fa-cultativos, aunque se han encontrado algunos tipos anaerobios.

a) b)

c) d)

Figura 3.- Protozoos observados en fangos activados. a) Flagelados; b) amebas; c) ciliados nadadores libres y d) ciliados fijos (cortesa de EGEVASA).

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Pueden alimentarse de bacterias u otros microorganismos (holozoicos) o de materia orgnica disuelta (osmotrfos), aunque no se cree que compitan eficazmente con las bacterias por el sustrato soluble, pudindose asumir que la eliminacin de la materia orgnica disuelta es llevada a cabo por las bacterias.

Los protozoos constituyen aproximadamente el 5% de la biomasa de los fangos

activados, habindose encontrado unas 200 especies. Estos organismos son un componente necesario de los fangos activados llevando a cabo por una parte una eliminacin de coli-formes y patgenos, clarificando el efluente, y contribuyendo, por otra, a la floculacin de la biomasa aunque su contribucin es menos importante que la de las bacterias formadoras de flculos.

Los protozoos tambin juegan un papel importante en los sistemas de cultivo fijo,

donde estn presentes en mayor proporcin. Su contribucin al proceso es la misma que en los cultivos en suspensin.

Los cuatro grupos bsicos de protozoos en los fangos activados son flagelados,

amebas y formas nadadoras libres y fijas de ciliados (Figura 3).

1.2.4. Hongos. La mayora son aerobios estrictos, toleran valores de pH relativamente bajos y tienen

unos requisitos de nitrgeno mucho ms bajos que las bacterias. Aunque pueden utilizar la materia orgnica disuelta, rara vez compiten con las

bacterias en los sistemas de cultivo en suspensin. Bajo determinadas condiciones (pH bajos, dficit de nitrgeno) pueden proliferar, produciendo unos fangos con pobres cualidades de sedimentacin. Son ms frecuentes en los sistemas de cultivo fijo constituyendo en estos sistemas una parte importante de la biomasa.

1.2.5. Algas.

Son organismos fotosintticos muchos de ellos unicelulares, y que cuando son

pluricelulares no forman verdaderos tejidos. La mayor parte de los autores sitan dentro de ellas a las algas azules (Cianofceas)

que son organismos fotosintticos pero sin diferenciacin nuclear (procariotes), por lo que otros autores las sitan dentro de las bacterias denominndolas Cianobacterias. Algunas de ellas son capaces de utilizar el nitrgeno atmosfrico (N2) como fuente de nitrgeno, proceso que recibe el nombre de fijacin.

Desde el punto de vista de la Ingeniera Sanitaria cabe destacar los siguientes aspectos

de las algas:

1. Su utilizacin en los sistemas de depuracin no es tanto por su capacidad de depurar sino como fuente de oxgeno en los sistemas extensivos.

2. Al ser auttrofas su presencia en un sistema de depuracin no disminuye el contenido en

materia orgnica sino que lo aumenta pues la sintetizan a partir de las fuentes minerales de carbono existentes. En el caso de las cianobacterias son capaces de generar cantidades

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de materia orgnica superiores a las presentes en las aguas de vertido, al suplir los dficits de nitrgeno existentes en las aguas residuales urbanas con nitrgeno atmosfrico.

1.2.6. Rotferos.

Son organismos aerobios y multicelulares cuya extremidad anterior est modificada

en un rgano ciliado, el aparato rotador, que utilizan para la captura de alimentos y el movi-miento. En los sistemas de fangos activados constituyen normalmente, junto a los nemtodos, la cima de la pirmide trfica; ejerciendo una accin predadora sobre el resto de los organismos que existen en el medio (Figura 4).

Figura 4.- Rotfero (Contraste de fase 100x) (cortesa de EGEVASA).

1.2.7. Nemtodos.

En los sistemas de depuracin actan como predadores de los organismos inferiores,

y, como ya se ha dicho antes, en los fangos activados constituyen la cima de la pirmide trfica.

1.3. Procesos que tienen lugar en los tratamientos biolgicos.

En los tratamientos biolgicos tienen lugar una serie de transformaciones de vital

importancia (Figura 5):

Crecimiento biolgico. Los microorganismos presentes son capaces de utilizar molculas pequeas y simples para su crecimiento, tales como cido actico, etanol, metanol, glucosa, amonio, nitrito, etc. Hidrlisis. Consiste en la transformacin de molculas de gran tamao en molculas pequeas, directamente degradables mediante la accin de enzimas extracelulares producidas por los microorganismos. Tiene lugar la hidrlisis tanto de la materia particulada como de la disuelta. Estos procesos son normalmente ms lentos que los de crecimiento biolgico, por lo que suelen convertirse en los limitantes.

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Desaparicin de biomasa (decay). Esta desaparicin engloba el consumo de biomasa debido a:

- Mantenimiento: energa necesaria para los procesos celulares (motilidad, regulacin

osmtica, transporte molecular, etc.). Cuando los aportes externos de energa son menores que las necesidades de energa para mantenimiento, las clulas obtienen la energa necesaria de la degradacin de reservas de energa existentes en el interior de la clula, lo que da lugar a una disminucin de la biomasa (metabolismo endgeno). Cuando todas las reservas endgenas se han agotado las clulas mueren.

- Predacin: organismos superiores en la cadena trfica (p.e. protozoos) utilizan bacterias como alimento.

- Muerte y lisis: cuando las clulas mueren se produce la rotura de la pared celular y el citoplasma y otros constituyentes pasan al medio donde, tras sufrir un proceso de hidrlisis, se convierten en sustrato para otros organismos. Los materiales ms complejos permanecen como residuo orgnico inerte (debris) ya que prcticamente no se solubilizan.

Figura 5.- Transformaciones biolgicas en plantas de tratamiento.

Desde el punto de vista ingenieril es conveniente la utilizacin de modelos simplificados ya que son ms fciles de aplicar. En el caso de la desaparicin de biomasa, proceso que engloba un gran nmero de interacciones, existen dos formas aproximadas de abordar su modelacin: el modelo de lisis-recrecimiento y el modelo tradicional (que es el que se utilizar en este desarrollo).

En el modelo de lisis-recrecimiento toda la biomasa puede sufrir el proceso de lisis,

aunque a velocidades diferentes segn el tipo de organismo, dando lugar a materia orgnica particulada hidrolizable y un residuo inerte, debris. La materia orgnica particulada es hidrolizada a materia orgnica soluble que es utilizada por la biomasa activa para nuevo crecimiento. En la Figura 5 se incluye una representacin esquemtica de este modelo.

En el modelo tradicional (ms simple que el anterior) la biomasa activa es destruida

Crecimiento biolgico

Materia lentamente biodegradable

Materia fcilmente biodegradable

Biomasa

Materia inerte (Debris)

DECAY

hidrlisis

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como resultado del decay y los electrones cedidos en la oxidacin del carbono a dixido de carbono pasan al aceptor de electrones. La biomasa no es totalmente oxidada quedando una fraccin como debris. Este debris se va acumulando en el fango disminuyendo la fraccin activa de la biomasa. La ecuacin que representa el proceso viene dada por:

Debris+++ nutrientesreducidoaceptor + CO eaceptorBiomasa 2 (1) 1.3.1. Organismos hetertrofos.

Estos organismos son los que actan bsicamente en los sistemas biolgicos de

depuracin, pudiendo actuar bien por va aerobia o anxica, bien por va anaerobia. En la Figura 6 se muestra un esquema de las transformaciones que sufre la materia orgnica bajo la accin de estos organismos.

En la va aerobia y en la anxica, estos organismos, tras la introduccin de la materia

orgnica en su interior, la someten a dos transformaciones diferentes. Una de descomposicin que, bsicamente, transforma esa materia orgnica en CO2, agua y otros compuestos inorgnicos (NH+4, ). Dado que esta reaccin es exotrmica, proporciona energa al resto de las funciones celulares. Este proceso recibe el nombre de catabolismo. La otra consiste en la sntesis de tejido celular a partir de los nutrientes, la materia orgnica presente y la energa producida en los procesos catablicos. Recibe el nombre de anabolismo.

Figura 6.- Representacin esquemtica del metabolismo bacteriano hetertrofo.

Por otra parte, en el proceso de desaparicin de la biomasa algunos de los constitu-

yentes de la clula son transformados en productos finales. La fraccin de la materia celular que no puede degradarse o que lo hace muy lentamente, da lugar a un residuo orgnico inerte (debris).

Energa

Reaccin exotrmica Productos finales

Respiracin endgena

Materia celular

Residuo orgnico

Materia

orgnica

Sntesis celular Nutrientes

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En la va anaerobia las transformaciones de la materia orgnica tienen lugar en mltiples etapas, aunque de forma resumida puede considerarse que se realizan en dos. En la primera de ellas las bacterias acidognicas descomponen la materia orgnica en sustratos ms simples, normalmente de carcter cido y de ah su nombre, capaces de ser utilizados por las bacterias metanognicas, que transforman estas sustancias en metano (segunda etapa). Esta va se estudiar con ms detalle en un captulo posterior.

En todos los casos los compuestos orgnicos insolubles han de ser solubilizados antes

de ser consumidos. Adems, los compuestos solubles de elevado peso molecular han de ser reducidos a compuestos ms pequeos a fin de hacer posible su paso a travs de la membrana celular. Las reacciones responsables de la solubilizacin y reduccin del tamao de los compuestos orgnicos son reacciones hidrolticas catalizadas por enzimas extracelulares producidos por las bacterias.

1.3.2. Organismos auttrofos.

Los organismos auttrofos tienen la capacidad de utilizar materiales inorgnicos para

la produccin de energa y sntesis celular. La energa la obtienen bien de la luz (fotosin-tticos) o bien de reacciones inorgnicas de oxidacin-reduccin (quimiosintticos), como puede verse en el esquema de la Figura 7.

Dentro de los organismos auttrofos fotosintticos, pueden citarse las algas que intro-

ducen oxgeno en el sistema de tratamiento.

Figura 7.- Representacin esquemtica del metabolismo bacteriano auttrofo quimiosinttico.

Dentro de los organismos auttrofos quimiosintticos, cabe citar las bacterias

nitrificantes que efectan la oxidacin de amonio a nitrato (nitrificacin).

++ +++ HNO + O H+.microorg

Auttrofos HCOO + CONH 323224 (2)

La desaparicin de microorganismos auttrofos por muerte y lisis de los mismos da

lugar a la aparicin en la disolucin de sustrato lentamente biodegradable, que es hidrolizado y consumido por los organismos hetertrofos originando productos finales, y debris.

CO2

Materia inorgnica reducida

Materia inorgnica oxidada

Nutrientes

Sntesis celular

Residuo orgnico

Productos finales

Energa

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1.4. Cintica de las reacciones de los organismos hetertrofos.

Dado que la mayora de los tratamientos biolgicos se utilizan para la eliminacin de

materia orgnica, este apartado se centrar en las reacciones bioqumicas que llevan a cabo las bacterias hetertrofas en condiciones aerobias y anxicas. En temas posteriores se abordar el estudio de las reacciones de los organismos auttrofos y de los organismos hetertrofos en condiciones anaerobias.

Como se ha comentado en el apartado anterior, desde el punto de vista ingenieril es

conveniente la utilizacin de modelos simplificados, cuyos parmetros y variables sean fcilmente determinables. Por ello en este desarrollo se va a utilizar el modelo clsico para representar el crecimiento y desaparicin de la biomasa.

Las reacciones anteriores tienen unas caractersticas cinticas definidas por unos

parmetros que, en cada caso, se determinarn en planta piloto. No obstante para un dimensionamiento previo se pueden utilizar unos valores medios de los mismos, caractersticos de distintos tipos de aguas residuales.

En este captulo, tras la introduccin de los principales parmetros y variables que in-

tervienen en los procesos biolgicos de degradacin de materia orgnica, se deducen las ecuaciones cinticas y se proponen unos valores medios de los parmetros correspondientes a los microorganismos hetertrofos vlidos para un predimensionamiento de las instalaciones.

1.4.1. Parmetros y variables.

Los parmetros que se van a utilizar se resumen en el esquema de la Figura 8 y se

definen como: Y = coeficiente de produccin de biomasa, relacin entre la materia celular producida y la materia orgnica total que se degrada, g DQO/g DQO. b = coeficiente de desaparicin de biomasa, fraccin de la materia celular que por unidad de tiempo se consume en mantenimiento, predacin y muerte (das-1). fD = fraccin de la materia celular que tras su muerte queda como residuo orgnico no biodegradable (debris).

Figura 8.- Representacin esquemtica del metabolismo bacteriano hetertrofo.

Materia orgnica

Residuos finales

Materia celular

Residuo inerte

(1-fD) b

fD b

1-Y

Y

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La materia orgnica puede estar presente en forma disuelta y suspendida y se puede definir por la DBO5 o por la DQO. La utilizacin de la DQO facilita el planteamiento de los balances de materia en el sistema, por lo que se utilizar en este desarrollo. Se distinguen dos fracciones, disuelta (S, g/m3) y la suspendida (X, g/m3). Dentro de la DQO soluble puede a su vez distinguirse entre biodegradable (SF) e inerte (SI). Anlogamente, para la DQO suspendida se diferencia entre la biodegradable (XS) y la inerte (XI). Generalmente se asume que SF es rpidamente biodegradable por lo que no necesita sufrir un proceso de hidrlisis para poder ser asimilada por los microorganismos, proceso que s necesita sufrir XS.

Los slidos suspendidos totales (XT) estn constituidos por la biomasa y la materia

particulada. La biomasa est compuesta por la fraccin activa y la fraccin inerte, residuo orgnico procedente de la desaparicin de biomasa. Por su parte la materia particulada inclu-ye los slidos no voltiles, la DQO suspendida no biodegradable y la DQO suspendida biodegradable procedentes del influente y que se acumulan en el fango.

La relacin entre el valor de la concentracin de materia celular expresada como

DQO (X) y el valor de dicha concentracin expresada como SSV puede obtenerse a partir de la ecuacin (3):

... + NH + OH 2 + CO 5 HO 5 +NOHC 4222275

++ + (3) Los pesos moleculares de los reactantes son 113 y 160 respectivamente y se obtiene:

SSVgDQOg42.1

113160

SSVX

.microorg

== (4)

En resumen, la definicin de las variables es la siguiente:

Componentes del agua de entrada: SS = Materia orgnica soluble biodegradable expresada como DQO, ML-3 XS = Materia orgnica suspendida biodegradable expresada como DQO, ML-3 ST = Materia orgnica biodegradable total = SS + XS , ML-3 SI = Materia orgnica soluble no biodegradable expresada como DQO, ML-3 XI = Materia orgnica suspendida no biodegradable expresada como DQO, ML-3 SNH4 = NKT soluble expresado como N, ML-3 XNH4 = NKT suspendido expresado como N, ML-3 NHT = NKT total = SNH4 + XNH4 expresado como N, ML-3 SP = Fsforo soluble, expresado como P, ML-3 XP = Fsforo suspendido, expresado como P, ML-3 PT = Fsforo total = SP + XP expresado como P, ML-3 SNO = Nitrato expresado como N, ML-3 XSSV = Slidos suspendidos voltiles, ML-3 XSSVNB = Slidos suspendidos voltiles no biodegradables, ML-3 XSSNV = Slidos suspendidos no voltiles, ML-3 XSST = Slidos suspendidos totales, ML-3

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Componentes generadas por el proceso biolgico:

X = Microorganismos activos expresados como DQO, ML-3 XH = Microorganismos hetertrofos expresados como DQO, ML-3 XA = Microorganismos auttrofos expresados como DQO, ML-3 XHI = Biomasa inerte procedente de los microorganismos hetertrofos muertos expresados como DQO, ML-3 XAI = Biomasa inerte procedente de los microorganismos auttrofos muertos expresados como DQO, ML-3

1.4.2. Ecuaciones cinticas.

Las reacciones que fundamentalmente interesan en los procesos biolgicos de

eliminacin de materia orgnica son dos:

1. Crecimiento celular. 2. Eliminacin o degradacin de la materia orgnica.

Asimismo, en los procesos aerobios es preciso conocer las necesidades de oxgeno

que se obtendrn directamente realizando un balance de DQO al sistema. Los factores a tener en cuenta son aquellos que controlan el medio en que se da el

fenmeno tales como la temperatura, el pH, la existencia en cantidad suficiente de elementos nutrientes y la presencia de productos txicos que puedan inhibir el proceso. El control de las condiciones ambientales asegurar que los microorganismos tengan el medio indicado donde poderse desarrollar.

A fin de asegurar el crecimiento de los microorganismos es necesario que

permanezcan en el sistema el tiempo suficiente para que se reproduzcan. Este tiempo depende de la velocidad de crecimiento que a su vez est en relacin directa con la velocidad de utilizacin del sustrato.

1.4.2.1. Cintica del crecimiento biolgico.

Los microorganismos se multiplican por fisin binaria, por lo que su velocidad de

crecimiento puede expresarse mediante una ecuacin de primer orden con respecto a la concentracin de biomasa activa:

X = rX (5)

donde: rx = velocidad de crecimiento de los microorganismos, ML-3T-1 = velocidad de crecimiento especfico, T-1 X = concentracin de biomasa activa, ML-3

Experimentalmente se ha encontrado que el efecto de un sustrato o nutriente limitante

puede definirse adecuadamente mediante la siguiente expresin, propuesta por Monod:

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S + KS =

sm (6)

donde: m = velocidad mxima especfica de crecimiento, T-1 S = concentracin del sustrato limitante del crecimiento, ML-3 Ks = constante de semisaturacin, concentracin de sustrato tal que la velocidad de crecimiento es la mitad de la mxima, ML-3. Cuanto ms bajo es su valor, ms bajo es el valor de la concentracin de sustrato para la que se aproxima a m.

Si se sustituye la ecuacin (6) en la (5), la expresin resultante para la velocidad de crecimiento es:

S KS X

= rs

mX +

(7)

1.4.2.2. Velocidad de utilizacin de sustrato.

La velocidad de utilizacin del sustrato durante la fase de crecimiento logartmico en la

que puede considerarse despreciable el trmino de desaparicin, viene relacionada con la velocidad de crecimiento de los microorganismos mediante la expresin:

XS r Y1 - = r (8)

donde: rs = velocidad de utilizacin del sustrato, ML-3T-1 Y = coeficiente de produccin mxima, definido como la relacin entre la masa de clulas producida y la masa de sustrato consumido.

Sustituyendo la expresin (7) en (8):

S) + K( YS X - = r

s

ms

(9)

La ecuacin (9) es conocida como expresin de Lawrence y Mc. Carty. Esta expre-

sin se reduce a un modelo de primer orden al aplicarse a concentraciones bajas de sustrato, dando lugar a un modelo de orden cero al aplicarla a la regin de concentraciones elevadas de sustrato.

La frmula (9) se refiere a un volumen elemental, por lo que se ha de integrar en todo

el volumen de reaccin.

1.4.3. Valores medios de los parmetros cinticos. Los parmetros de tratamiento que se han indicado hasta aqu pueden tener unos

valores distintos que dependen de la temperatura, pH, tipo de residuos, edad del fango, etc. Tambin se ha indicado que para su aplicacin concreta los valores a utilizar deben de determinarse en laboratorio o planta piloto.

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Tabla 1.- VALORES MEDIOS DE LOS PARMETROS PARA BACTERIAS HETERTROFAS.

A. Residual Y (a) b(b) m (b) Ks (c) f 1. Tratamientos aerobios

Domstica 0.6 0.20 4 10 0.2 Refineras 0.5 0.30 2 - 0.2 Qumicas y petroqumicas 0.5 0.25 2 - 0.2 Cerveceras 0.56 0.30 4 - 0.2 Pulpa de papel 0.5 0.25 1.2 - 0.2

2. Tratamiento anaerobio Fangos domsticos 0.06 0.10 cidos grasos 0.05 0.12 Hidratos de carbono 0.024 0.10 Protenas 0.075 0.05

(a) (g DQO cel./g DQO eliminada), (b) (das-1), (c) (g DQO /m3) Sin embargo en los casos en que se pretende un dimensionamiento previo de la planta, y

tratndose de aguas residuales tpicas, se puede aplicar los valores de la Tabla 1 que se han obte-nido a partir de los propuestos por diferentes autores (Grady, Daigger y Lim; IWA y Water Environment Federation) y de valores obtenidos en plantas de tratamiento en funcionamiento.

1.4.4. Efecto de la temperatura.

La velocidad de las reacciones biolgicas depende de una forma muy sensible de la

temperatura; este factor es por lo tanto de suma importancia para valorar la eficacia de un tratamiento biolgico.

La temperatura no slo influye en el metabolismo de las clulas sino tambin en otros

factores tales como en la velocidad de transferencia de gases, caractersticas de sedimentacin, etc.

El efecto de la temperatura sobre los parmetros cinticos de un proceso biolgico se

puede expresar por una ecuacin de la forma:

20 - T20T K = K (10) donde: KT y K20= valor del parmetro a las temperaturas T y 20 C respectivamente. = coeficiente que depende del proceso. T = temperatura en C.

La frmula anterior es una expresin variante de la de Vant Hoff-Arrhenius y puede aplicarse a todos los procesos biolgicos.

En la Tabla 2 se recogen valores tpicos de para distintos parmetros.

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Tabla 2. COEFICIENTES ACTIVIDAD-TEMPERATURA DE DISTINTOS PARMETROS BIOLGICOS PARA AGUAS RESIDUALES URBANAS.

Parmetro m 1.072 b 1.072

2. PROCESOS BIOLGICOS DE CULTIVO EN SUSPENSIN.

2.1. Introduccin. En general todos estos procesos son parecidos y pueden considerarse como variantes

del mismo proceso. Las variantes u opciones que se pueden considerar aparecen en la Tabla 3, auque en la prctica slo se utilizan algunas combinaciones de dichas variantes.

Tabla 3. CLASIFICACIN DE LOS PROCESOS BIOLGICOS DE CULTIVO EN SUSPENSIN

Tipo de proceso Aerobio. Anxico. Anaerobio.

Tipo de reactor Flujo en pistn. Mezcla completa. Flujo disturbado.

Suministro de oxgeno (En procesos aerobios)

Mecnicos Naturales: Formando biomasa de algas.

Diagrama de flujo Con recirculacin o sin ella. Existe un gran nme-ro de esquemas diferentes dentro de los procesos especiales: oxidacin por contacto, en cmaras separadas, etc.,

Carga msica Alta carga. Convencional. Aireacin prolongada.

Se podran distinguir cuatro grandes grupos dentro de los procesos de cultivo en

suspensin.

Fangos activados. Son procesos aerobios. En ellos se consigue un gran tiempo de retencin celular mediante una recirculacin de los fangos. El aporte del oxgeno se efecta por medios mecnicos. Los denominados procesos especiales pueden incluirse en el grupo de los fangos activados. Lagunas aireadas. Son predominantemente aerobias aunque pueden combinarse con pro-cesos anaerobios. El tiempo de retencin necesario se consigue con grandes volmenes del reactor. El aporte del oxgeno se efecta por medios mecnicos. Eliminacin biolgica de nutrientes. Son procesos derivados del de fangos activados,

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aunque mucho ms complejos. El proceso de eliminacin de fsforo es, en esencia, un proceso de fangos activados que incluye un RCTA anaerobio previo, y el de eliminacin de nitrgeno, incluye una etapa anxica. Tratamiento de fangos. Se utilizan para la estabilizacin de los fangos purgados como exceso en los tratamientos biolgicos, principalmente en los fangos activados y de los fangos primarios. Todos se efectan en medio lquido, sin recirculacin y, los procesos, pueden ser aerobios o anaerobios. 2.2. Balances de sustrato en los procesos biolgicos de cultivo en suspensin.

En el desarrollo que se lleva a cabo a continuacin se utilizar la frmula propuesta

por Lawrence y Mc. Carty (9).

Tanque de mezcla completa (RCTA). Por hiptesis, las concentraciones de S y X son iguales y constantes en todo el

volumen del reactor. Asimismo son los mismos valores que se dan en el efluente tratado (Figura 9).

Figura 9.- Esquema de reactor de mezcla completa sin recirculacin. Planteando un balance de sustrato al tanque en rgimen estacionario (E - S + G = 0):

0 = V r + S Q - S Q So (11) Sustituyendo rs por su valor dado por la ecuacin (9), teniendo en cuenta que el

tiempo de residencia viene dado por = V/Q y haciendo operaciones se llega a:

)S + K(Y

X S = S - SS

mo (12)

en la que: So y S = concentracin del sustrato limitante a la entrada y salida, en g/m3. = tiempo de retencin hidrulica = V/Q (d). V = volumen del reactor (m3). Q = caudal a tratar (m3/d).

Esta ecuacin se suele utilizar de la siguiente forma:

)S + K(YS =

X VS) - S( Q = U

s

mo (13)

Q S0 X0

V S X

Q S X

17

La variable U se denomina consumo especfico o reduccin especfica y representa la cantidad de sustrato degradado por unidad de masa celular y en la unidad de tiempo. Su dimensin es das-1.

Tanque de flujo en pistn (RFP).

En este los valores de S y X varan a lo largo del mismo tal como se indica en la

Figura 10.

Figura 10.- Variacin de la concentracin de sustrato y de microorganismos a lo largo de un reactor de flujo en pistn.

Suponiendo un valor de X constante a lo largo del reactor, planteando el balance en

rgimen estacionario de sustrato en un elemento diferencial de volumen e integrando a lo largo de toda la longitud del tanque, se llega a:

= S)] - S( + SSln K[ X

Yo

os

m (14)

Esta ecuacin se reordena en forma semejante a la (13) y resulta:

)S) - S( + SSln K(Y

S) - S( = X V

S) - S( Q = Uo

os

omo (15)

S0

X0

X X S

Q S0 X0 Q S X

18

2.3. Crecimiento celular. La determinacin de este crecimiento es muy importante ya que permitir determinar

la cantidad de fangos que hay que purgar del proceso para conseguir unas proporciones estables en el mismo.

Se establece el siguiente balance de masa en rgimen estacionario en el conjunto

tanque de aireacin-decantador secundario: Salida - Entrada = Sntesis - Desaparicin

V X b - V r Y- = X Q XQ X Q soerW + (16)

Siendo QWXr los fangos purgados del sistema, representados tambin por QX (g DQO/da). Despreciando la concentracin de microorganismos en el agua de entrada al proceso biolgico y en el agua clarificada, queda:

V X b - V r Y- = X Q = XQ 0X = X srWeo = (17)

El resultado para el reactor de mezcla completa, sustituyendo la expresin de rS que se obtiene de (11), es:

V X b - )SS(

V Y = XQ 0 (18)

y dividiendo por VX:

b - YU= b - XS) - S( Y=

X VXQ o

(19)

A la inversa del primer miembro VX/QX que tiene como dimensin tiempo, se le

denomina tiempo de retencin celular o edad del fango; se le representa por c y representa el tiempo medio que una clula permanece en el proceso. Este parmetro es muy importante en un proceso biolgico y en el proceso de fangos activados se suele tomar como criterio de diseo.

La ecuacin (19) se expresa pues en la forma:

)b - (YU = 1- c (20)

Una vez calculado c, el exceso de fangos que hay que purgar se determina por la

frmula:

cX V = XQ (21)

Existe un valor mnimo del tiempo de retencin celular, cM, por debajo del cual no

19

llega a producirse el fenmeno biolgico. Este valor se obtiene haciendo S = So en la frmula (13) y sustituyendo el valor de U obtenido en (20).

En cualquiera de los dos casos resulta:

) b - S + K

SK (Y = 1 -os

oMc (22)

Este valor establece el lmite inferior. Los valores de diseo del tiempo de retencin

celular mnimos suelen ser del orden del doble de este valor.

2.4. Fangos activados.

Tradicionalmente, se ha reservado esta denominacin para los procesos aerobios, en suspensin lquida, y provistos de un sistema de separacin y recirculacin de fangos. Un esquema general del sistema puede verse en la Figura 11. Sin embargo, la tendencia actual es la inclusin dentro de este apartado tanto de los procesos de eliminacin de materia orgnica como de nutrientes mediante sistemas de cultivo en suspensin y con recirculacin de fangos.

Los microorganismos que han de separarse del sistema para mantener un proceso

estable se denominan fangos en exceso y se pueden purgar en uno de los puntos A o B, aunque normalmente se realiza en B. Estos fangos en exceso y los que se recirculan se denominan "fangos activados" y contienen los microorganismos que llevan a cabo la depuracin biolgica.

Figura 11.-Esquema del proceso de fangos activados. El proceso de fangos activados fue desarrollado inicialmente por Fowler, Arden,

Mumford y Locked en la planta inglesa de Manchester a principios de siglo XX. Se pusieron en funcionamiento instalaciones de este tipo en los Estados Unidos hacia 1920; no obstante hasta los aos 1939-40 no se establecieron las bases cientficas que permitieran disear los procesos con seguridad.

Desde el principio fue patente el carcter biolgico del proceso y la relacin existente

entre la carga orgnica aplicada y la velocidad de crecimiento de los microorganismos. Los mtodos de diseo iniciales eran totalmente empricos: el tiempo de retencin en el reactor

Reactor

A

B

Decantador

Recirculacin

Influente Efluente

Aire

20

fue uno de los primeros mtodos empleados; para aguas muy cargadas en materia orgnica se utilizaban tiempos de retencin mayores que los utilizados en las menos cargadas. Tambin se utilizaron varios criterios basados en los kg de DBO5 aplicados por m3 de reactor y da (carga volumtrica) o bien por kg de microorganismos presentes en el reactor (carga msica).

Se han desarrollado ecuaciones basadas en los conceptos de balance de masas y

cintica del crecimiento microbiano (Eckenfelder, Mc. Kinney, Lawrence y Mc. Carty, entre otros), que se utilizarn a lo largo de este desarrollo.

A lo largo de estos ltimos aos se han diseado las plantas haciendo uso de las

ecuaciones anteriormente indicadas, pero sin olvidar ciertos valores o parmetros que tienen su base en la experiencia del proyecto y explotacin de numerosas plantas que han funcio-nado correctamente. Actualmente los criterios de diseo ms utilizados son los que se basan en el control de la carga msica y del tiempo de retencin celular.

2.4.1. Estructura y dinmica de las poblaciones en los sistemas de fangos activados.

2.4.1.1. Proceso de formacin y maduracin de los flculos.

La naturaleza de las aguas residuales tratadas determinan los tipos de microorganis-

mos que se desarrollan. Las bacterias se multiplican rpidamente y al principio estn libres en el lquido, pero ms tarde se aglutinan para formar el ncleo del flculo. La mayor o menor tendencia a flocular es diferente para las distintas especies.

El flculo puede aumentar su tamao por la multiplicacin de las bacterias que hay en

l, y por la adicin de materia muerta o viva desde la fase lquida. Durante su desarrollo el flculo es colonizado por organismos consumidores de bacterias como los protozoos ciliados, nemtodos y rotferos. Por tanto un flculo maduro puede considerarse como un microcosmos, cuya poblacin est en un equilibrio dinmico sensible a las condiciones ambientales entre las que se incluyen la composicin de los residuos.

Conforme el flculo crece y aumenta su edad, aumentan las clulas muertas y los

slidos inertes acumulados. Aunque el flculo viejo es capaz de adsorber sustancias, la oxida-cin biolgica es posible nicamente para las clulas vivas, producindose una disminucin de la actividad general del flculo con la edad. Al aumentar su tamao, la difusin de los nutrientes y el oxgeno a las bacterias individuales y la salida de sus excretas se hace cada vez ms difcil. Por tanto en un cultivo microbiano, cada flculo puede considerarse que pasa a travs de diferentes fases de crecimiento alcanzando la madurez y posteriormente la decaden-cia cambiando su estructura y actividad, ambas significativas en el proceso de depuracin.

2.4.1.2. Dinmica de las poblaciones.

En los sistemas de fangos activados, con las aguas residuales son introducidas muchas

especies diferentes de organismos. Muchas de ellas encuentran all un medio inadecuado y, como consecuencia de ello mueren; otras en cambio, al ser favorables para ellas las condiciones del medio, persisten y se multiplican. La composicin especfica de los fangos activados estar determinada por la velocidad relativa de crecimiento de las especies, la dis-ponibilidad de alimento en competicin con otras especies del mismo nivel trfico y el efecto de la predacin de los organismos de niveles trficos ms altos. Aparte de estos factores, las condiciones fsicas y qumicas de la planta son tambin importantes en la determinacin de la

21

composicin especfica. Los principales factores son la disponibilidad de oxgeno, el pH, la temperatura y los agentes inhibidores o txicos. De todas las especies de un mismo nivel trfico que compiten por el mismo alimento una de ellas se convertira en dominante. Esta situacin debera conducir a la eliminacin de las otras especies que compiten. Esto no ocurre debido a las condiciones cambiantes que se dan conforme los fangos pasan a travs del sistema, que favorecen sucesivamente a diferentes especies, y a la introduccin constante de una flora mixta que mantiene la competicin por el alimento.

Aunque en los fangos activados son introducidos algas, bacterias, hongos y protozoos,

las bacterias se convierten normalmente en dominantes. Las bacterias dominantes de los fangos tienen que satisfacer dos condiciones: ser capaces de utilizar los residuos orgnicos y formar rpidamente flculos que faciliten su separacin del efluente y que aseguren su reten-cin en el sistema. La naturaleza de las bacterias dominantes estar determinada en gran medida por la composicin de los residuos que tengan que ser tratados.

Las bacterias nitrificantes auttrofas, aunque no estn en competicin por la misma

fuente de energa, pueden competir por el oxgeno si ste es limitante. Su requisito ms crti-co, sin embargo, es mantener su poblacin en competicin con las bacterias hetertrofas presentes en el flculo que se multiplican ms rpidamente cuando la poblacin total es mantenida a un nivel constante mediante la purga del exceso de fangos.

El nicho de los protozoos en los sistemas de fangos activados es algo difcil de definir

con precisin. Los flagelados zoomastigforos son osmtrofos, y como tales compiten, nor-malmente sin fortuna, con las bacterias. Ms significativas en la comunidad son las formas holozoicas en especial los ciliados. stos se alimentan de las bacterias y otros protozoos. La ausencia de protozoos ciliados en una planta de fangos activados lleva normalmente asociada un efluente turbio causado por la presencia de un elevado nmero de bacterias dispersas. Se sabe, as mismo, que los protozoos contribuyen a la floculacin de la materia orgnica suspendida, incluyendo las bacterias. Por tanto su presencia en unos fangos activados puede influir en la clarificacin del efluente y en la formacin de los flculos.

En el desarrollo de un sistema de fangos activados tiene lugar una sucesin de las

especies dominantes de la poblacin de protozoos en paralelo con la de la poblacin bacteriana. El grado de floculacin de las bacterias tambin puede ser importante. En los primeros estadios de desarrollo del flculo muchas bacterias estn dispersas en el lquido. Es-to favorece a las formas que nadan libremente. Conforme las bacterias estn floculadas las formas fijas y las asociadas a los flculos son favorecidas.

A medida que los fangos maduran, los organismos de los niveles trficos ms altos

como los rotferos y gusanos nemtodos pueden llegar a establecerse. El conjunto de organis-mos presentes en unos fangos maduros tras alcanzar el equilibrio, est relacionado con las condiciones medias de la planta.

Por lo tanto, los fangos activados pueden ser considerados como un complejo sistema

ecolgico, en el que los organismos presentes estn en competicin por el alimento comn existente y entre los cuales hay una serie de relaciones de predador-presa. Existen diferentes poblaciones, algunas dependientes y otras independientes de las otras. En tal sistema, el organismo dominante de los que se hayan en competicin en un determinado nivel trfico por una fuente comn de alimento, ser el que bajo las condiciones que prevalecen es capaz de multiplicarse ms rpidamente con el alimento disponible. Un factor de complejidad aadido

22

en las plantas de fangos activados es la prdida continua de organismos debido a las salidas con el efluente y las descargas del exceso de fangos. Los organismos como los ciliados pertricos ligados al flculo o los ciliados hyptricos asociados con la superficie del flculo, es menos probable que sean eliminados del sistema junto con el efluente que los ciliados que nadan libremente. Por tanto la capacidad de una especie de protozoos para establecerse y mantenerse en el sistema depende del nicho fsico (espacial) que ocupa. En la prctica, aunque las bacterias son las principales responsables de la depuracin, los protozoos preda-dores juegan un papel secundario pero significativo en la produccin de efluentes clari-ficados.

2.4.1.3. Estructura de los flculos.

Las bacterias para ser retenidas en una planta tienen que ser capaces de formar un

flculo discreto sedimentable o ser atrapadas dentro de l. El flculo puede considerarse en principio formado como resultado combinado de la actividad biolgica y de las fuerzas fsicas.

Las bacterias en los fangos activados son consideradas biocoloides hidroflicos. Se

considera que la floculacin de las bacterias est causada por polielectrolitos de origen natu-ral (cidos hmicos) o sustancias excretadas en la superficie celular de las bacterias (com-plejos de polisacridos y glucoprotenas). Estos polmeros extracelulares son segregados por las denominadas bacterias formadoras de flculos.

Por lo tanto los flculos de fangos activados estn formados por microorganismos,

partculas orgnicas e inorgnicas del agua residual influente y polmeros extracelulares que juegan un papel importante en la biofloculacin del fango activado.

En el flculo de fangos activados se pueden considerar dos niveles de estructura: la

microestructura y la macroestructura.

La microestructura del flculo es conferida por los procesos de agregacin y biofloculacin. Constituye la base de la formacin del flculo, y da lugar a la formacin de flculos normalmente pequeos (menores de 75 m) esfricos y compactos, aunque dbiles y fcilmente afectados por la turbulencia del reactor. La macroestructura del flculo es proporcionada por microorganismos filamentosos. Estos organismos forman una red sobre la cual se fijan los flculos, originando flculos grandes, fuertes y resistentes a las turbulencias del reactor. Los flculos grandes conteniendo organismos filamentosos suelen ser de forma irregular, en vez de tener la forma esfrica tpica de los flculos sin presencia de organismos filamentosos, ya que crecen en la misma direccin que la red.

En funcin del nivel de bacterias filamentosas pueden distinguirse tres tipos de flculos:

Flculo ideal. Cuando la proporcin de bacterias formadoras de flculos y bacterias filamentosas es la correcta se formarn flculos compactos, densos y grandes que sedimentarn fcilmente en el decantador secundario dando lugar a un fango concentrado y un sobrenadante limpio (Figura 12a).

23

Flculo punta de alfiler. Cuando prcticamente no existen bacterias filamentosas, existiendo slo microestructura. Los flculos son pequeos y dbiles. Los flculos grandes sedimentan rpidamente pero los pequeos no sedimentan bien, originando un sobrenadante turbio (Figura 12b). Bulking. Tiene lugar un predominio de las bacterias filamentosas, las cuales crecen dentro y fuera de los flculos, impidiendo que se aproximen. Los flculos son fuertes y grandes pero las bacterias filamentosas interfieren en la sedimentacin y compactacin. El sobrenadante producido es extremadamente claro ya que las partculas pequeas son filtradas y fijadas sobre la estructura filamentosa (Figura 12c).

a) b) c)

Figura 12.-Efecto de la presencia de bacterias filamentosas sobre la estructura del fango activado. 2.4.1.4. Problemas de separacin en el proceso de fangos activados.

La separacin de los slidos del agua tratada tiene lugar normalmente por

sedimentacin, estando la mayora de los problemas de separacin asociados a fallos en la formacin de la microestructura o de la macroestructura del flculo. Los principales problemas son:

Crecimiento disperso: Por alguna razn, no se produce la biofloculacin de los microorganismos, dando lugar a un efluente turbio. Bulking viscoso: Se produce un fallo en la microestructura por un exceso de polmeros extracelulares. Las clulas se encuentran dispersas en una masa de material extracelular, dando lugar a un fango viscoso con problemas de sedimentacin y compactacin. Flculo punta de alfiler: como ya se ha comentado aparece por un fallo en la macroestructura del flculo debido a la ausencia o a una proporcin excesivamente baja de bacterias filamentosas. Los flculos pueden romperse fcilmente, dando lugar a flculos pequeos que son arrastrados con el efluente. Bulking filamentoso: fallo en la macroestructura por un exceso de organismos filamentosos. Esta estructura mantiene los flculos separados, haciendo que la sedimentacin y la compactacin sean muy deficientes. En casos muy severos, la manta de fangos puede sobrepasar la altura del vertedero del clarificador, saliendo stos con el efluente.

24

Foaming o formacin de espumas: Normalmente est asociado a dos tipos de bacterias filamentosas: Nocardia spp y Microthrix parvicella. Ambos microorganismos tienen superficies celulares muy hidrofbicas, situndose en la superficie de las burbujas de aire, estabilizando las burbujas y formando espumas que ascienden a la superficie donde tienden a acumularse formando una capa espesa de color marrn. Flotacin de los fangos: la formacin de N2 gas (muy poco soluble en agua) en el decantador secundario debida a un proceso de desnitrificacin, puede provocar la flotacin de los fangos. Este problema se agrava cuando el fango desnitrificante tiene una proporcin elevada de bacterias filamentosas. Es importante el control de la concentracin de nitratos en el efluente del reactor de fangos activados para evitar este problema. Se identifica fcilmente el problema por la observacin de pequeas burbujas de gas en el clarificador y, en caso de presencia de bacterias filamentosas, se encuentran en la misma proporcin en el licor mezcla y en las espumas. 2.4.1.5. Factores que influyen en el crecimiento de bacterias filamentosas.

Actualmente, el control efectivo de los problemas de sedimentacin de fangos se basa

en la identificacin de los organismos que lo causan y en la eliminacin de las condiciones que favorecen su crecimiento.

a) b)

c) d)

Figura 13.- Bacterias filamentosas en fangos activados: a) Microthrix parvicella, b) Sphaerotilus natans, c) Thiothrix s.p. y d) Nocardia s.p. (Cortesa de EGEVASA).

Entre los factores que pueden favorecer el crecimiento de estos organismos cabe destacar:

25

- Baja carga msica o elevada edad del fango (M. Parvicella (Figura 13a), tipos 1851, 0041, 0092)

- Baja concentracin de oxgeno disuelto (M. parvicella, S. Natans (Figura 13b), H.

Hydrossis) - Concentracin de S= , aguas spticas, (Thiothrix s.p.(Figura 13c), Beggiatoa, tipos 021N,

0914). Estas bacterias pueden obtener energa de la oxidacin de sulfuro de hidrgeno, lo que les confiere ventaja frente a otras.

- Dficit de nutrientes (N y/o P) (S. Natans, Thiothrix s.p., tipo 021N) - Bajo pH (hongos) - Atrapamiento de espumas en la superficie y recirculacin de espumas (Nocardia s.p.

(Figura 13d) y M. Parvicella 2.4.1.6. Selectores.

En general los sistemas de fangos activados de mezcla completa con alimentacin

continua dan lugar a fangos con peores caractersticas de sedimentabilidad que los sistemas de alimentacin discontinua o con tanques compartimentados en los que el fango recirculado entra en contacto con una elevada concentracin de materia orgnica. Adems, si la zona donde tiene lugar la mezcla del agua influente con el fango recirculado est aireada, el fango sedimentar peor que si la concentracin de oxgeno disuelto en esta zona es cero. Esto ha dado lugar al desarrollo de nuevas estrategias para el control de los problemas de bulking: utilizacin de tanques de flujo de pistn, alimentacin discontinua, compartimentar los tanques de aireacin o la utilizacin de un pequeo tanque donde se produce la mezcla del fango recirculado con el influente. Esta ltima alternativa es la que se conoce como selector.

Figura 14.- Velocidad especfica de crecimiento en funcin de la concentracin de sustrato para bacterias formadoras de flculos y filamentosas.

Existen dos tipos de selectores:

Selectores cinticos: son reactores aerobios. Se basan en la mayor velocidad de crecimiento de las bacterias formadoras de flculos frente a las filamentosas para concentraciones elevadas de sustrato (Figura 14).

26

Selectores metablicos. En estos el efecto del selector cintico se ve suplementado por la potenciacin de metabolismos diferentes del aerobio en el sistema, mediante unas condiciones de operacin determinadas. La mayora de las bacterias filamentosas son aerobias, vindose desfavorecidas bajo condiciones distintas de stas. Se dividen en:

- Anaerobios: en ausencia de aceptores de electrones las bacterias acumuladoras de

polifosfatos son capaces de obtener energa de sus reservas de polifosfatos para el proceso de almacenamiento de sustrato dentro de la clula, por lo que su desarrollo se ve favorecido. El elevado contenido en fsforo de estas bacterias les confiere unas excelentes caractersticas de sedimentabilidad.

- Anxicos: en ausencia de oxgeno, las bacterias desnitrificantes utilizan nitrato como

aceptor de electrones producindose el metabolismo anxico. Las bacterias filamentosas o no son capaces de desnitrificar o lo hacen con una velocidad muy inferior a la de las bacterias formadoras de flculos por lo que stas se vern favorecidas.

2.4.2. Factores y parmetros fundamentales del proceso de fangos activados.

2.4.2.1. Caractersticas del agua a tratar.

El diseo adecuado del tratamiento biolgico en una estacin depuradora exige el

conocimiento profundo de las caractersticas del agua a tratar. Estas caractersticas han sido definidas en temas anteriores. Los parmetros necesarios para el clculo del proceso de fangos activados son la DQO y la DBOlim (que permite establecer la fraccin biodegradable de la materia orgnica), los SS descompuestos en voltiles y no voltiles y dentro de los voltiles, en biodegradables y no biodegradables y la concentracin de nutrientes (N y P). Tanto para la materia orgnica como los nutrientes es de gran importancia conocer la fraccin soluble. En el caso de la materia orgnica se considera la fraccin soluble como fcilmente biodegradable, mientras que la suspendida deber sufrir un proceso de hidrlisis previo a su asimilacin por los microorganismos, por lo que se considera como lentamente biodegradable. En la Tabla 4 se recogen los valores tpicos de estos parmetros para aguas residuales urbanas.

Tabla 4.- CARACTERSTICAS TPICAS DEL AGUA RESIDUAL URBANA.

Parmetro Carga (g/hab./da) % Soluble

DQO 140 40

DBO5 70 40

NKT 10 65

Ptotal 2.5 65

SS(a) 80 --

(a) Fraccin voltil de los SS: 80% (a) Fraccin biodegradable de los SSV: 70%

Tabla 5.- PORCENTAJE DE ELIMINACIN DE SS EN LA DECANTACIN PRIMA-RIA, AGUAS RESIDUALES URBANAS. CARGA SUPERFICIAL DE 30 m3/m2.d.

27

tr (h) % Eliminacin SS 1 43 2 55 3 65 4 66 5 67

Por lo que respecta a los fangos activados se ha de tener en cuenta que estos procesos

suceden normalmente a un tratamiento primario y, por lo tanto, se ha de calcular previamente los contaminantes eliminados en ste, lo que se realiza a partir de los porcentajes de eliminacin alcanzados para los distintos parmetros. La Tabla 5 muestra la eliminacin de SS esperada en la decantacin primaria de aguas residuales urbanas, para un valor de la carga superficial de 30 m3/m2/d y distintos tiempos de residencia. Asociada a la eliminacin de SS se produce la eliminacin de la materia orgnica, N y P presentes en esos slidos suspendidos.

2.4.2.2. Carga msica.

La carga msica es parmetro que trata de representar la relacin existente entre la

carga orgnica alimentada al reactor y los microorganismos presentes en l (F/M food/microorganisms). Dada la dificultad de cuantificar los microorganismos, suele definirse como:

SSVm XV

SQdareactorelenSSVkg

entrantesDBOkg = C 05 = (23)

o incluso, a veces se refiere este parmetro a los SST en el reactor (en vez de los SSV), ya que stos son ms fciles de determinar que los voltiles. Por ello es muy importante al hablar de la carga msica establecer a qu concentracin de slidos est referida.

La experiencia ha demostrado que los valores de Cm estn relacionados con la

sedimentabilidad del fango, es ms, slo para algunos valores de este parmetro puede obtenerse un fango fcilmente sedimentable.

Para caracterizar la sedimentabilidad del fango se suele utilizar el ndice volumtrico

del fango (IVF), que se define como el volumen en mL ocupado por 1 g de fango seco des-pus de decantar media hora.

Para obtener una buena decantacin este ndice ha de tener un valor prximo a 100 o

inferior. Para aguas residuales urbanas tpicas, estos valores se obtienen para tres intervalos de la carga msica, los cuales dependen a su vez de la temperatura y aparecen enumerados en la Tabla 6.

Tabla 6.- PROCESOS DE FANGOS ACTIVADOS EN FUNCIN DE LA CARGA MSICA PARA AGUAS RESIDUALES URBANAS TPICAS.

Proceso Cm (kg DBO5/kg SST.da)

28

T < 20 C T = 20 C T > 20 C

Alta carga 1.2 2.0 1.5 - 2.3 3.5 4.5

Convencional 0.15 0.40 0.20 - 0.45 0.25 - 0.60

Oxidacin total 0.07 0.10 0.12 Esto da lugar a tres tipos de procesos con caractersticas propias. En el orden

expuesto: Alta carga, Convencional y Oxidacin total. La produccin de microorganismos es grande en el primer caso, decrece en el segundo y es baja en el tercero. Adems los fangos que se obtienen en un proceso de oxidacin total estn bastante estabilizados (bajo contenido en SSV), cosa que no ocurre en los otros dos casos. Esto condiciona el tratamiento de fangos posterior.

Por otra parte las necesidades de oxgeno en el reactor biolgico (tanque de aireacin)

crecen del primer proceso al ltimo. Esto hace que desde el punto de vista econmico, dependiendo del tamao de la poblacin, sea ms conveniente un procedimiento u otro.

La oxidacin total se utiliza preferentemente en plantas de menor tamao

(generalmente poblaciones de hasta 25.000 habitantes) en las que el mayor consumo de energa en el reactor es compensado por la mayor simplicidad de explotacin y gestin, puesto que se elimina la mayor parte de la lnea de fangos.

Tanto en el tratamiento convencional como en oxidacin total la calidad del agua efluente cumple los requisitos de vertido exigibles a una estacin depuradora. La eleccin de un tratamiento u otro en muchos casos se realiza en base a balances econmicos y consideraciones tcnicas y de operacin de la planta.

Sin embargo los sistemas de alta carga no permiten obtener estos niveles de calidad, por lo que no son utilizados en estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas, quedando reservados como pretratamientos de determinados efluentes industriales.

En la prctica, al disear una planta de tratamiento de aguas residuales domsticas,

solamente se toman valores de Cm, referida a SST, comprendidos en los intervalos indicados. Es importante resaltar que los valores de la carga msica correspondientes a oxidacin total son para la situacin normal de este tratamiento, en la que no existe decantacin primaria.

2.4.2.3. Eficiencia del tratamiento.

La eficiencia del tratamiento estricto se define por la siguiente frmula:

SS - S = E

o

oT (24)

Sin embargo la eficiencia real, o total del tratamiento se calcula como sigue:

S D- S = E o

oT (25)

29

en la que D es la DQO total que escapa del decantador que incluye tanto S como la materia orgnica asociada a los microorganismos y otros slidos suspendidos voltiles efluentes.

2.4.3. Reactores de mezcla completa.

2.4.3.1. Hiptesis de clculo y notaciones.

En los clculos de procesos con reactor de mezcla completa se utilizar el esquema

mostrado en la Figura 15 y las notaciones que se detallan a continuacin. Los significados de las variables son los siguientes:

Q = Caudal influente, m3/da. Qr = r Q = Caudal recirculado, m3/da. QW = Caudal purgado (fangos en exceso), m3/da. V = Volumen del reactor, m3. ST0 = DQO total biodegradable en el caudal influente, g/m3. SS = DQO soluble biodegradable en el reactor y efluente del mismo, g/m3. XI0 = DQO suspendida inerte en el caudal influente, g/m3. XH = Microorganismos hetertrofos en el reactor y efluente del mismo, g DQO/m3. XHI = Biomasa inerte procedente de los microorganismos hetertrofos muertos expresados como DQO, g/m3. XHe = Microorganismos hetertrofos en el efluente, g DQO/m3. XH0 = Microorganismos hetertrofos en el caudal influente, g DQO/m3. XT = SST en el reactor y efluente del mismo, g/m3. XTr = SST en la recirculacin, g/m3. XSSV = Slidos suspendidos voltiles en el reactor, g/m3. XSSVNB = Slidos suspendidos voltiles no biodegradables, g/m3. XSSNV = Slidos suspendidos no voltiles en el reactor, g/m3. XSST = Slidos suspendidos totales en el reactor, g/m3.

Figura 15.- Reactor de mezcla completa con recirculacin. Se establecern las siguientes hiptesis de clculo:

- No existen microorganismos en las aguas residuales sin tratar; es decir XH0 = 0.

V XH SS Q ST0 XH0 SS XHe SS

XTr SS XTr SS

Reactor Decantacin

Entrada Efluente

Purga de fangos

Recirculacin

Qr = r Q

Qr + Q Q - Qw

Qw

30

- La concentracin de microorganismos que se escapan con el agua efluente es despreciable

(XHe 0).

- No se produce actividad microbiana en el clarificador y conducciones.

- Se produce la hidrlisis total de los sustratos lentamente biodegradables, trasformndose en sustratos rpidamente biodegradables (S).

- Se consigue una mezcla completa en la aireacin. Es decir, los valores de S y X son igua-

les en todos los puntos del reactor e iguales a los que se dan en el efluente.

- Se consiguen condiciones estables en todo el sistema.

- En los tanques de mezcla completa, la reaccin de eliminacin de sustrato viene representada por la expresin de Lawrence y Mc. Carty (9).

2.4.3.2. Ecuaciones.

Tiempo de retencin celular:

HI

HI

H

H

SSV

SSV

SST

SSTc X Q

X VX Q

X VX Q

X V

X QX V

= === (26)

Balance de sustrato:

)S + K(YS

= XV

)S - S(Q

SH s

SmH

H

STo (27)

Balance de microorganismos:

Produccin de biomasa hetertrofa activa:

HHST0Hc

HH X V b - )S - S ( YQ

X V= XQ = (28) Produccin de biomasa hetertrofa inerte (debris):

HHDHc

HIHI X V b f

X V= XQ = (29)

En rgimen estacionario puede considerarse que la fraccin de la materia celular que tras su muerte queda como residuo orgnico no biodegradable es fDH = 0.2.

Balance de fangos:

31

Produccin de fangos totales expresados en DQO:

HIH0IT XQXQXQ= XQ ++ (30) Produccin de fangos totales expresados en SST: vienen dados por la biomasa generada en el proceso (activa y debris) ms los slidos suspendidos no voltiles y los voltiles no biode-gradables que entran al reactor.

HTSSBMHITSSXI0SSVNB0SSNVSST XQiXQiXQXQ= XQ +++ (31) siendo: iTSSXI : factor de conversin de DQO inerte a SST. iTSSBM : factor de conversin de biomasa expresada como DQO a SST. 2.4.3.3. Parmetros cinticos.

Para aguas residuales urbanas tpicas, el estudio de datos de estaciones depuradoras reales, ha permitido establecer como expresiones de los parmetros cinticos y estequiomtricos del proceso de eliminacin de materia orgnica en cultivo suspendido las que aparecen en la Tabla 7. En ella puede observarse la dependencia del valor de la velocidad de crecimiento de las bacterias hetertrofas con la concentracin de oxgeno disuelto en el reactor. Para valores de esta concentracin elevados este trmino (OD/(0.2+OD) tomar valores prximos a la unidad. Sin embargo, dado que el aporte de oxgeno al reactor constituye uno de los principales costes de los tratamientos aerobios, normalmente se trabajar con valores de este trmino por debajo de la unidad.

Tabla 7.- EXPRESIONES DE LOS PARMETROS DEL PROCESO DE ELIMINACIN DE MATERIA ORGNICA PARA AGUAS RESIDUALES URBANAS.

Parmetro Base Expresin

mH d-1 4 1.072(T-20) OD/(0.2+OD) YH g cel (DQO)/g N-NH4+ 0.60 bH d-1 0.2 1.072(T-20) KS g DQO/m3 10

OD : Oxgeno disuelto en g/m3 2.4.3.4. Proceso de clculo

Uno de los criterios ms utilizados en el clculo de fangos activados es el que se basa

en la asignacin de un valor de la edad del fango. Una vez realizados los clculos, debe comprobarse que la carga msica pertenece a un intervalo para el cual puede asumirse una sedimentabilidad del fango adecuada. El criterio basado en fijar una eficiencia para el proce-so, puede resultar engaoso por cuanto si bien es verdad que la eficiencia que resulta en el reactor es la esperada, si la carga msica no es la adecuada, no se conseguirn unos fangos que decanten fcilmente y en consecuencia la eficiencia total (debida al aireador ms decan-

32

tador) no ser la deseada. Fijada la edad del fango, es necesario establecer la concentracin de slidos (SST

SSV) en el reactor, para que el diseo quede definido. En el proceso de clculo que se desarrolla a continuacin se ha fijado el valor de los SST. Un esquema anlogo se obtendra fijando los SSV. Datos del problema: Q = caudal a tratar, m3/da. STo = DQO total biodegradable del influente, g/m3. SI0 = DQO soluble no biodegradable influente, g/m3. XSSNVo = SSNV en el influente, g/m3. XSSVNBo= SSV no biodegradables en el influente, g/m3. Se seleccionan los valores de: C = das. XSST = concentracin de SST en el reactor, g/m3. Se suponen conocidos mH, YH, Ks, bH y las caractersticas del agua residual a tratar. Se pretende calcular: SS = DQO soluble del efluente, g/m3. XH, XHI= microorganismos hetertrofos activos e inertes en el reactor, g/m3. QX = produccin de microorganismos, g/da. QXSST= fangos totales producidos, g/da. CmT = Carga msica, kg DBO5/kg SST/da. V = volumen del reactor, m3. r = relacin de recirculacin. MOH = necesidades de oxgeno, g/da. DQO biodegradable soluble en el efluente.

Despejando el producto VXH de las ecuaciones (27) y (28), e igualando los dos

trminos de la derecha de las dos expresiones obtenidas, es posible obtener una expresin de SS en funcin de dicho tiempo de retencin y de los parmetros cinticos.

)b()b(K

= SH

1cmH

H1

cSS +

+

(32)

Biomasa producida:

En primer lugar se calcula el producto VXH despejndolo de (28):

H1

c

S0THH b

)SS(YQ = XV +

(33)

33

Conocido este producto, con la ecuacin (28) se calcula la produccin de biomasa hetertrofa activa y con la ecuacin (29) la de biomasa inerte. La suma de estos dos valores representa la produccin total de biomasa:

HHDHc

HHIH X V b f

X VXQXQ= XQ +=+ (34) Mediante la ecuacin (31) se calcula la produccin de fangos totales expresados como

SST (QXSST).

Carga msica: El valor de la carga msica se obtiene utilizando su definicin:

XQ fS Q

X VfS Q

= CSSTc

To

SST

TomT = (35)

siendo: f = relacin DBO5/DBOL.

Una vez calculada se comprueba que est comprendido dentro del intervalo que asegura una adecuada sedimentabilidad (Tabla 6).

Volumen del reactor:

De la definicin de tiempo de retencin celular (26), fijado el valor XSST, se obtiene

directamente el valor del volumen mediante:

SST

cSST

XXQ = V (36)

Microorganismos en el reactor:

Biomasa activa (XH): se obtienen directamente, conocidos el producto VXH y el volumen V. Debris (XHI): de la definicin de tiempo de retencin celular (26):

VX Q

= X cHIHI

(37)

Calidad del agua de salida:

DQO: viene dada por la suma de la DQO soluble biodegradable efluente, la soluble no biodegradable y la suspendida asociada a los slidos suspendidos que se escapan del decantador secundario (SSefl).

SST

Tefl0IST XQ

XQSSSS= S

++ (38)

34

DBO5: si se conoce la relacin f entre DBO5 y DBOL, es posible estimar la DBO5 efluente del tratamiento, mediante la expresin:

SST

HeflS5TDBO XQ

fXQSSfS= S + (39)

Relacin de recirculacin:

Se obtiene efectuando un balance de SST entre la entrada y la salida del reactor (Figura 16).

Figura 16.- Representacin esquemtica de un reactor de fangos activados

Balance de masas: Produccin de SST = SST Salientes - SST Entrantes

)XX(QXrQX)r1(QXQiXQi SSVNBSSNVTrSSTHTSSBMHITSSXI ++=+ (40)

Reordenando trminos y teniendo en cuenta la ecuacin (26), queda:

X - XX ) - (1 =r

SSTTr

SST

c

(41)

El valor de XTr que figura en (41) son los SST que se obtienen del decantador

secundario. La concentracin de los mismos depende de la forma en que se lleve la explota-cin de la planta (forma de extraccin peridica o continua, etc) o bien de la sedimentabilidad de los mismos. Suponiendo una buena sedimentabilidad, la concentracin de SST puede es-timarse en unos 8000 mg/L.

Necesidades de oxgeno:

La cantidad de O2 necesario para condiciones medias de caudal y DQO, se obtiene aplicando un simple balance de DQO al sistema:

)XQXQ( )S - S( Q = MO HIHSToH + (42)

Para condiciones punta se calcula la DQO soluble efluente mediante (27) y la produccin de biomasa hetertrofa activa mediante (28), utilizando los valores de Q y ST0 dados para esas condiciones. Utilizando estos valores en (42) se obtienen las necesidades

XSST

Q (1+r) XSST Q

XTr Q r

35

mximas de O2.

Requisitos de nutrientes:

Para el proceso biolgico de degradacin de residuos es necesaria la presencia de ciertos nutrientes (N, P, Ca, Mg, etc). La mayora de los nutrientes son necesarios en cantidades traza y suelen estar presentes en las aguas residuales. Sin embargo, muchas aguas residuales industriales son deficitarias en N y P, siendo necesaria su adicin.

Una estimacin de las cantidades necesarias de estos nutrientes se basa en que el

fango activado (X) contiene aproximadamente un 1.7 % de su peso seco como P y un 8.7 % como N. Por otra parte las concentraciones mnimas de N y P a mantener en el efluente se estiman normalmente como 1.0 y 0.5 mg/L respectivamente. Por lo tanto, las cantidades necesarias son:

g/da Q + X Q 0870. :Nitrgeno (43)

g/da 0.5 Q + X Q 170.0 :Fsforo (44) estando QX en g/da y Q en m3/da.

Las cantidades de N y P disponibles pueden calcularse directamente a partir de la

concentracin total de nitrgeno Kjedahl (NKT) y de fsforo presentes en el agua alimento. Para la adicin de nutrientes suelen utilizarse urea, H3PO4 o (NH4)3PO4.

2.4.3.5. Diseo del tanque de fangos activados.

Una vez calculado el volumen de reaccin necesario, las dimensiones de los tanques

vienen fijadas por el sistema de aireacin que se desea utilizar. Respecto del calado deben tenerse en cuenta las siguientes recomendaciones:

- Aireadores superficiales: De 3 a 5 m. Segn el modelo presentan distinto alcance en profundidad.

- Difusores: De 3 a 6 m. Presentan mayor eficacia en la transferencia de oxgeno a mayor calado, aunque aumenta el consumo energtico.

Respecto de las dimensiones en planta, hay que tener en cuenta que los aireadores

superficiales siempre estarn en el centro de un cuadrado, mientras que los tanques que utilizan difusores admiten en principio cualquier forma, aunque se suelen construir con forma rectangular. 2.4.4. Reactores de flujo en pistn.

La caracterstica de estos reactores es la variacin a lo largo de l de la DQO, de los

microorganismos y de las caractersticas del proceso biolgico en general. Es de esperar que la diferente proporcin de sustrato a biomasa (F/M) produzca el desarrollo de microorganismos diferentes.

36

En general se considera que la proliferacin de los microorganismos filamentosos causantes del fenmeno de bulking es ms frecuente en los sistemas de mezcla completa que en los sistemas con bajo grado de mezcal axial, baja dispersin y mayores gradientes de con-centracin de sustrato a lo largo del reactor, que es el caso de los reactores de flujo de pistn. Las elevadas concentraciones de materia orgnica al comienzo del reactor favorecen el crecimiento de las bacterias formadoras de flculos, tal y como se explic al hablar de los selectores cinticos.

Sin embargo en este tipo de reactores es posible la produccin de cortocircuitos, como

resultado de los cuales puede obtenerse en la salida del tanque un efluente deficientemente tratado. As mismo son ms sensibles que los RCTA a cargas puntuales inhibitorias.

Figura 17.- Distribucin de la demanda de O2 en un reactor de flujo en pistn. Habitualmente se construyen en forma de canal con una relacin de longitud a

anchura mnima de 5:1 y dimensionado para conseguir una velocidad de 1.5 m/min. Las pro-fundidades son, como mximo, de 4.5 m y la anchura entre 4.5 y 9 m. Con estas normas se proyectaron los primeros tanques para el tratamiento de fangos activados, que fueron durante mucho tiempo los que constituan la gran mayora de las realizaciones. Por eso en muchos pases se le llama a este esquema "proceso convencional".

La distribucin de la demanda de oxgeno a lo largo del reactor presenta la forma que

se muestra en el grfico (Figura 17). En esta figura se ha incluido la lnea del oxgeno aportado asumiendo una aportacin uniforme a lo largo del reactor, pudindose apreciar que en una zona inicial la cantidad de oxgeno aportado sera deficitaria. En la prctica la discrepancia entre el oxgeno aportado y el requerido no sera tan marcada ya que existe una difusin longitudinal en el tanque, con lo que la distribucin del oxgeno aportado no sera constante sino que tendera a adaptarse a la curva del oxgeno requerido.

Oxgeno requerido

Oxgeno aportado

t= l/v

37

Para evitar este inconveniente se utiliza una modificacin denominada "Aireacin proporcional", en la que los difusores no se distribuyen uniformemente sino adaptndose a los requisitos de oxgeno de una forma ms o menos escalonada, tal como indica la Figura 18.

Figura 18.- Aporte de O2 en un sistema de aireacin proporcional. En la actualidad se est tendiendo a la utilizacin de varios reactores en serie que por

una parte permite reproducir el comportamiento de los sistemas de flujo de pistn, pero por otra permite un mejor control de la aireacin de los reactores e incluso el alternar condiciones anaerobias, anxicas o aerobias segn se considere necesario.

2.4.5. Nitrificacin en cultivos en suspensin

La discusin anterior del proceso de fangos activados se ha limitado a la degradacin

biolgica aerobia de la materia orgnica carbonosa. Aunque este es el aspecto principal en el tratamiento de aguas residuales a menudo es tambin deseable estabilizar aquellos compuestos inorgnicos que pueden ejercer una demanda de oxgeno. El compuesto inorgnico ms importante es el amonaco, porque su presencia en el efluente de la planta puede estimular la disminucin del oxgeno disuelto en la corriente receptora a travs del proceso biolgico de la nitrificacin. En la nitrificacin, el amonaco se oxida biolgicamente a nitrato. El nitrato que es el estado de oxidacin final de los compuestos del nitrgeno, constituye un producto estabilizado.

En la prctica, la nitrificacin puede conseguirse en el mismo reactor utilizado en el

tratamiento de la materia orgnica carbonosa o bien en un reactor separado de cultivo en suspensin dispuesto a continuacin de un proceso convencional de fangos activados. Cuando la eliminacin de la materia orgnica carbonosa y la nitrificacin se llevan a cabo en el mismo reactor, el proceso se identifica a menudo como nitrificacin de fase nica. Cuando se usa una instalacin separada para la nitrificacin, sta incluye, normalmente, un reactor y un tanque de sedimentacin de la misma configuracin general de diseo utilizada en el pro-ceso de fangos activados.

Oxgeno aportado

Oxgeno requerido

t = l/v

38

Es importante resaltar que la nitrificacin puede producirse en cualquiera de los procesos de cultivo suspendido, siempre y cuando se mantengan las condiciones de tempera-tura, oxgeno disuelto, edad del fango, etc. adecuadas para el crecimiento de las bacterias nitrificantes. As, cuando la temperatura ambiental es elevada, es posible que se produzca la nitrificacin del influente simplemente utilizando tiempos de retencin celular correspondientes a un tratamiento convencional siempre que se mantenga la concentracin de oxgeno en el tanque en un valor elevado.

Por lo tanto, aunque el proceso se disee con la nica finalidad de eliminar materia

orgnica, es conveniente plantear las ecuaciones correspondientes al proceso de nitrificacin, y la resolucin conjunta de todas las ecuaciones proporcionar el mayor o menor grado de nitrificacin que se obtendr en el proceso de fangos activados. Si esta nitrificacin es elevada, no considerar este proceso en el planteamiento del diseo conducira, entre otros errores, a un infradimensionamiento del sistema de aireacin.

Ecuaciones bioqumicas de la nitrificacin.

El nitrgeno amoniacal se transforma en nitrato en dos etapas mediante las bacterias

nitrificantes. Estas bacterias se clasifican como auttrofas dado que utilizan el carbono inorgnico (CO2 o HCO3-) como fuente de carbono. El proceso de nitrificacin se resume en las siguientes reacciones:

Reaccin 1 fase:

OH + H2 + NO O23 + NH

asNitrosomon

2+-

22+

4 (45)

Reaccin 2 fase:

NO O21 + NO

rNitrobacte

- 32

- 2 (46)

Reaccin total:

OH + H2 + NO O2 + NH 2+- 32+ 4 (47)

Parte del N-NH4+ es asimilado en el tejido celular. Una reaccin de sntesis representativa de esta asimilacin auttrofa es:

O5 + NOHC OH + NH + HCO + CO4 22752+ 4- 32 (48)

Como reaccin global del proceso de conversin auttrofa del in amonio a nitrato, se ha propuesto la siguiente reaccin:

H42 + OH20 + NO21 + NOHC HCO + CO4 + O37 + NH22 +2- 3275- 322+ 4 (49)

39

Como ya se ha comentado, la nitrificacin se da en la mayora de los tratamientos biolgicos aerobios cuando las condiciones ambientales y de funcionamiento son las adecuadas.

La velocidad de crecimiento de las bacterias Nitrobacter es considerablemente mayor

que la de los Nitrosomonas, por lo que la velocidad de nitrificacin se modela generalmente utilizando la conversin de amonaco a nitrito como fase limitante.

2.4.5.1. Anlisis del proceso de nitrificacin.

Las expresiones cinticas utilizadas para representar la eliminacin de sustrato en el

proceso de fangos activados son aplicables al proceso de nitrificacin, aunque con una fuerte dependencia de las condiciones ambientales.

La eliminacin de amonio viene dada por la suma del consumo correspondiente al

proceso de nitrificacin y el asociado al crecimiento celular. Utilizando para el crecimiento de microorganismos auttrofos una expresin cintica tipo Monod (ecuacin equivalente a la (9)), la velocidad de consumo de amonio en el proceso de nitrificacin viene dada por:

)S + K( YX S -

= rNHNHA

ANHmANH

(50)

donde: rNH = velocidad de utilizacin de amonio, g N- NH4+/m3 d. mA = velocidad de crecimiento especfico de bacterias auttrofas, d-1. YA = coeficiente de produccin mxima, definido como masa de microorganismos auttrofos formados por masa de amonio oxidado, g/g N-NH4+. KN = constante de semisaturacin, g N-NH4+/m3. SNH = concentracin de NKT soluble, g DQO/m3. XA = microorganismos auttrofos, g DQO/m3.

Para el caso de reactores de mezcla completa, las ecuaciones obtenidas son:

Tiempo de retencin celular:

AI

AI

A

A

SSV

SSV

SST

SSTc X Q

X VX Q

X VX Q

X V X Q

X V = === (51) donde: Q XA = produccin de biomasa auttrofa activa, g DQO/d. Q XAI = produccin de biomasa auttrofa inerte, g DQO/d.

Balance de sustrato:

El NKT es consumido en el proceso de nitrificacin y como nutriente para el crecimiento de las bacterias auttrofas y hetertrofas. Asumiendo que un 8.7 % del peso de la biomasa es nitrgeno, el balance de NKT viene dado por:

40

XQ087.0)S + K( Y

XVS = )SNH(Q

NHNHA

ANHmNNH0T + (52)

siendo QX la produccin total de biomasa dada por la ecuacin:

AIAHIH XQXQXQXQ= XQ +++ (53) Balance de microorganismos:

Produccin de biomasa auttrofa activa:

AANHT0Ac

AA XVb)XQ 087.0 - )S - NH (Q( Y

X V= XQ = (54)

Produccin de biomasa auttrofa inerte (debris):

AADAc

AIAI X V b f

X V= XQ = (55)

donde: bA = coeficiente de desaparicin de biomasa auttrofa , d-1. fDA = fraccin de la materia celular auttrofa que tras su muerte queda como residuo orgnico no biodegradable = 0.1.

Teniendo en cuenta la definicin de tiempo de retencin celular (51) y las ecuaciones (29) y (55), la produccin total de biomasa viene dada por:

C

AADACHHDHC XV)bf1(XV)bf1(= XQ +++ (56)

Balance de fangos:

Produccin de fangos totales expresados en DQO:

AIAHIH0IT XQXQXQXQXQ= XQ ++++ (57) Produccin de fangos totales expresados en SST: biomasa activa y debris ms los slidos suspendidos no voltiles y los voltiles no biodegradables que entran al reactor.

)XQXQ(i)XQXQ(iXQXQ= XQ AHTSSBMAIHITSSXI0SSVNB0SSNVSST +++++ (58) siendo: iTSSXI : factor de conversin de DQO inerte a SST. iTSSBM : factor de conversin de biomasa expresada como DQO a SST.

41

Se ha comprobado que los siguientes factores ejercen un efecto importante sobre el proceso de nitrificacin:

- Concentracin de oxgeno disuelto. Se ha observado que la concentracin de OD influye en

la velocidad especfica de crecimiento mxima, mA de los microorganismos nitrificantes.

- Temperatura. La temperatura tiene una gran influencia sobre las constantes del proceso de nitrificacin. Para valores bajos de la temperatura, la velocidad del proceso se hace tan pequea, que es difcil conseguir que se lleve a cabo la nitrificacin, siendo necesario trabajar con tiempos de retencin celular muy elevados.

- pH. La tasa mxima de nitrificacin se produce para valores del pH entre 7.2 y 9

aproximadamente. Para sistemas combinados de eliminacin del carbono/nitrificacin, la influencia del pH se incluye mediante el siguiente factor de correccin para mA:

pH)) - (7.2 0.833 - (1 = FpH (59)

Para aguas residuales urbanas una detallada revisin bibliogrfica, as como una

recopilacin y anlisis de datos de estaciones depuradoras reales, han permitido establecer como expresiones de los parmetros cinticos del proceso de nitrificacin en cultivo suspendido las que aparecen en la Tabla 8.

Tabla 8.- EXPRESIONES DE LOS PARMETROS DEL PROCESO DE NITRIFICACIN PARA AGUAS RESIDUALES URBANAS.

Parmetro Base Expresin

mA d-1 1.111(T-20) OD/(0.5+OD) YA g cel (DQO)/g N-NH4+ 0.24 bA d-1 0.15 1.111(T-20) KNH g N-NH4+/m3 1.0

OD : Oxgeno disuelto en g/m3 T: temperatura en C

2.4.6. Clculo del proceso conjunto de eliminacin de materia orgnica y nitrificacin.

Al igual que se detall en el apartado 2.4.3.4. para la eliminacin de materia

orgnica, el diseo del proceso de nitrificacin con cultivo suspendido en un reactor de mezcla completa, se lleva a cabo fijando la edad del fango y estableciendo la concentracin de slidos (SST SSV) en el reactor. En el proceso de clculo que se desarrolla a continua-cin se ha fijado el valor de los SST. Para asegurar la adecuada sedimentabilidad del fango producido ser necesario comprobar que el valor de la carga msica est comprendido dentro de los intervalos recomendados para los distintos procesos (Tabla 6).

Datos del problema: Q = caudal a tratar, m3/da. STo = DQO total biodegradable del influente, g/m3. SI0 = DQO soluble no biodegradable influente, g/m3.

42

NHTo = NKT total en el caudal influente, g/m3. XSSNVo = SSNV en el influente, g/m3. XSSVNBo= SSV no biodegradables en el influente, g/m3. Se seleccionan los valores de: C = das. XSST = concentracin de SST en el reactor, g/m3. Se suponen conocidos mH, YH, Ks, bH, , mA, YA, KNH y bA y las caractersticas del agua residual a tratar. Se pretende calcular: SS = DQO soluble del efluente, g/m3. SNH = NKT soluble del efluente, g/m3. XH = microorganismos hetertrofos en el reactor, g/m3. XA = microorganismos auttrofos en el reactor, g/m3. QX = produccin de biomasa activa e inerte, g/da. QXSST= fangos totales producidos, g/da. CmT = Carga msica, kg DBO5/kg SST/da. V = volumen del reactor, m3. r = relacin de recirculacin. MOT = necesidades de oxgeno, g/da.

DQO biodegradable soluble en el efluente:

)b()b(K

= SH

1cmH

H1

cSS +

+

(32)

NKT soluble en el efluente:

Despejando el producto VXA de las ecuaciones (52) y (54), teniendo en cuenta la

expresin (56) e igualando los dos trminos de la derecha de las dos expresiones obtenidas, es posible obtener una expresin de SNH en funcin de dicho tiempo de retencin y de los parmetros cinticos.

)b()b(K

= SA

1cmA

A1

cNHNH +

+

(60)

Biomasa hetertrofa producida:

HHDHc

HHIH X V b f

X VXQXQ= XQ +=+ (34) Biomasa auttrofa producida:

43

Se calcula el producto VXA despejndolo de (54) teniendo en cuenta (56):

ACADACA

HHDHCNH0TCAA b)bf1(Y087.01

)XV)bf1(087.0)SNH(Q(Y = XV +++

+ (61)

Conocido VXA, la produccin total de biomasa auttrofa se calcula mediante:

AADAc

AAIA X V b f

X VXQXQ +=+ (62)

Mediante la ecuacin (58) se calcula la produccin de fangos totales expresados como

SST (QXSST). Carga msica:

Utilizando su definicin:

XQ fS Q

X VfS Q

= CSSTc

To

SST

TomT = (35)

y se comprueba que est comprendido dentro del intervalo que asegura una adecuada sedimentabilidad (Tabla 6).

Volumen del reactor:

De la definicin de tiempo de retencin celular (26), fijado el valor XSST, se obtiene

directamente el valor del volumen mediante:

SST

cSST

XXQ = V (36)

Microorganismos en el reactor:

Biomasa activa hetertrofa (XH): se obtienen directamente, conocidos el producto VXH y el volumen V.

Biomasa activa auttrofa (XA): se obtienen directamente, conocidos el producto VXA y el volumen V.

Debris hetertrofas (XHI): de la ecuacin (37):

44

VX Q

= X cHIHI

(37)

Debris auttrofas (XAI): de la ecuacin (51):

VX Q

= X cAIAI

(63)

Calidad del agua de salida:

DQO: viene dada por la suma de la DQO soluble biodegradab