BIOTECNOLOGA Y MEDIO AMBIENTE Sistemas Biolgicos de Tratamiento de Aguas Residuales.

Compuestos Xenobiticos y Recalcitrantes. Biorremediacin. Residuos Slidos

Mario Takayuki Kato y Lourdinha Florencio Universidad Federal de Pernambuco, Centro de Tecnologa y Geociencias

Av. Acadmico Helio Ramos s/n, Ciudad Universitaria, 50740-530 Recife PE Brasil

Jos Luis Sanz Martn Universidad Autonma de Madrid, Centro de Biologa Molecular

28049 Madrid Espaa

Agosto 2005

INDICE

1. INTRODUCCIN GENERAL 2. DEPURACIN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS

2.1.Antecedentes histricos 2.2.Depuracin convencional aerobia de aguas residuales urbanas

2.2.1.Lnea de aguas: 2.2.2. Lnea de fangos:

2.1. Depuracin anaerobia de aguas residuales urbanas 3. SISTEMAS AEROBIOS

3.1.Fangos activos 3.2. Filtro percolador o lechos bacterianos 3.3. Contactor biolgico rotativo (biodisco) 3.4. Tecnologas aerobias de bajo coste

3.4.1. Lagunaje 3.4.2. Filtro biolgico o filtro verde 3.4.3. Lechos de turba 3.4.4. Humedales construidos

4. SISTEMAS ANAEROBIOS

4.1. Cintica 4.2. Bioqumica y microbiologa

4.2.1. Hidrlisis 4.2.2. Fermentacin y -oxidacin 4.2.3. Acetognesis 4.2.4. Metanognesis

4.3. Formas de la biomasa: 4.3.1. Caractersticas de los grnulos

4.4.Tipos y caractersticas de reactores anaerobios 4.4.1. Reactores con la biomasa no unida 4.4.2. Reactores con la biomasa unida a un soporte (Single-stage Fixed-film

filter, Contact processes and Expanded Processes) 4.4.3. Sistemas multi-etapas y en dos fases (Multi-stage operations and

two-phase digestion) 4.4.4. Sistemas de segunda generacin (hight rate reactors) 4.4.5. Reactores anaerobios a nivel industrial

5. CONFIGURACIONES DE REACTORES ANAEROBIOS

5.2.Introduccin 5.3.Decanto-digestores

5.3.1. Fosas spticas 5.3.2. Tanque imhoff 5.3.3. Digestores de lodo

5.4.Proceso de contacto anaerobio

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5.5.Lagunas anaerobias 5.6.Filtros anaerobios 5.7.Reactor anaerobio de manto de lodo (uasb) 5.8.Reactor anaerobio de lecho expandido o fluidizado 5.9.Otras configuraciones

5.9.1. Reactor anaerobio con biodisco rotatorio 5.9.2. Reactor anaerobio de lecho granular expandido 5.9.3. Reactor anaerobio con recirculacin interna 5.9.4. Reactores anaerobios compartimentados 5.9.5. Reactor uasb compartimentado 5.9.6. Reactor anaerobio secuencial en lote 5.9.7. Reactor anaerobio horizontal de lecho fijo

5.10. Combinaciones de reactores anaerobios 5.10.1. Reactor anaerobio con reactor anaerobio 5.10.2. Reactor anaerobio con reactor aerobio 5.10.3. Reactor anaerobio con lagunas 5.10.4. Reactor anaerobio con sistema de desecho en el suelo

6. TRATAMIENTO TERCIARIO: ELIMINACIN DE N Y P

6.2.Procesos biolgicos de eliminacin de N 6.2.1. Nitrificacin 6.2.2. Desnitrificacin

6.3.Tecnologas para la eliminacin biolgica de nitrgeno 6.4.Eliminacin de fsforo

7. TRATAMIENTO TERCIARIO: CONTAMINACIN BIOLGICA 8. EL PROBLEMA DE COMPUESTOS XENOBITICOS Y

RECALCITRANTES 8.2. Principales Grupos de Compuestos Xenobiticos

8.2.1. Hidrocarburos Alifticos (Alcanos) 8.2.2. Compuestos Halogenados 8.2.3. Hidrocarburos Aromticos Sulfonados 8.2.4. Hidrocarburos Aromticos Nitrados

8.3. Plsmidos Involucrados en la Degradacin de Compuestos Xenobiticos

9. BIORREMEDIACIN 10. RESIDUOS SLIDOS URBANOS

10.2. Introduccin 10.3. Clasificacin de los residuos slidos urbanos 10.4. Descripcin , caractersticas y problemas de un vertedero 10.5. Compostage aerobio 10.6. Digestin anaerobia de la fraccin orgnica de los RSU

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1. INTRODUCCIN GENERAL La proteccin adecuada del medio ambiente es de vital importancia para todos los seres vivos. Considerando la extensin actual de la degradacin medioambiental, es de mxima importancia encontrar ya soluciones consistentes a largo plazo. Y esto es aplicable tanto a los pases industrializados como a aquellos en vas de desarrollo. Para una proteccin medioambiental adecuada es necesario desarrollar y poner en prctica mtodos y medidas que conduzcan a un mnimo consumo y un mximo reciclado. De esta forma disminuirn los problemas relativos a la existencia de grandes cantidades de residuos y de aguas residuales que es necesario tratar, aunque evidentemente siempre habr aguas residuales o residuos slidos que ser necesario tratar y depurar antes de su descarga con objeto de proteger el medio ambiente. El vertido de un agua residual sin tratar en un cauce natural produce una serie de efectos negativos sobre el mismo:

tapiza la vegetacin de la ribera con residuos slidos gruesos, tales como plsticos, restos de alimentos, utensilios, etc.

se acumulan por sedimentacin slidos suspendidos en el fondo y orillas (limos, materia orgnica) entra una microbiota alctona, entre la que pueden encontrarse patgenos puede haber contaminacin por compuestos txicos o inhibitorios aumenta la eutrofizacin por aporte de N y P se consume el oxgeno disuelto al descomponerse la materia orgnica y los compuestos amoniacales aparecen malos olores

Los principales criterios que deben cumplir estas tecnologas integradas de proteccin medioambiental se resumen en:

estar encaminadas a la evitar la produccin de residuos, o, al menos, reducirla drsticamente

no ser necesaria la dilucin de los contaminantes con aguas limpias ser altamente eficientes con respecto al control de la contaminacin medioambiental permitir la mxima recuperacin y reutilizacin de las substancias contaminantes, v.g. mediante sistemas integrados enfocados en la produccin de alimentos ser de bajo coste, incluyendo aqu su construccin, infraestructura, mantenimiento (bajo aporte energtico) y operacin manejo y mantenimiento sencillo aplicable a escala muy pequea y muy grande elevado grado de autosuficiencia ambientalmente aceptable para la poblacin prxima a la instalacin minimizar la red de alcantarillado que deba ser instalada

El objetivo de aplicar sistemas de tratamiento de aguas residuales es evitar la contaminacin del medioambiente acutico. Considerando los mtodos de depuracin de aguas, y junto a los criterios expuestos, algunos criterios ms especficos para elegir el sistema de tratamiento de aguas residuales se resumen en:

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el mtodo seleccionado debera permitir eliminar eficientemente diferentes tipos de contaminantes, v.g.

a) materia orgnica biodegradable (DBO) b) slidos suspendidos c) amonio y compuestos orgnicos nitrogenados d) fosfatos e) patgenos

el sistema debera de ser muy estable frente a interrupciones/choques de energa, carga orgnica, alimentacin, compuestos txicos, pH, temperatura el proceso debera de ser suficientemente flexible con respecto a la escala a la que vaya a ser aplicado, posibilidades de expansin futura, permitir incrementar su eficiencia el sistema debera ser de operacin, mantenimiento y control simple, de tal forma que la buena operacin del proceso no dependa de la presencia continuada de operadores altamente cualificados los requerimientos de suelo deberan ser bajos, especialmente cuando se dispone de poco espacio o el precio de la tierra es alto el nmero de etapas requeridas para realizar el proceso debera ser lo mas bajo posible la vida media del sistema debera de ser larga la operatividad del sistema no debera ser seriamente afectada por una prdida accidental de lodo no debera de producir malos olores debera ser posible utilizar los productos finales, v.g. para riego o fertilizacin es deseable que existe experiencia prctica suficiente con sistemas similares

En la Naturaleza, la descomposicin de la materia orgnica tiene lugar por dos procesos diferentes en funcin de los microorganismos que la llevan a cabo: degradacin aerbica y degradacin anaerobia. Todos recordamos los ciclos biogeoqumicos de la materia (C, N, S, P, Fe, etc.) en los que intervienen etapas oxidativas y reductivas. El hombre ha tratado de imitar a la naturaleza, forzando la velocidad conque tienen lugar estos procesos optimizando las condiciones ambientales, mediante los sistemas de biodepuracin aerbica y anaerobia. Cada uno de ellos presenta una serie de beneficios y desventajas que sern discutidos durante los temas adelante. La depuracin de aguas residuales habra que integrarla en un macroplan que permitiera alcanzar la eliminacin completa de los contaminantes y la recuperacin/ reutilizacin de algunos compuestos. Es este sentido, el mtodo puede ser considerado como el corazn de un sistema conceptualmente nuevo, diseado para conseguir una proteccin ambiental y como fuente alternativa de recursos. Y, hoy en da, est bastante claro que el tratamiento anaerobio de aguas residuales es una tecnologa adecuada par mejorar las condiciones medioambientales y sociales pues permite:

alcanzar una proteccin medioambiental a un coste muy bajo

desarrollar sistemas de proteccin medioambiental integrados llegar a ser autosuficiente en materia de proteccin ambiental

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2. DEPURACIN DE AGUAS RESIDUALES URBANAS La depuracin de aguas consiste en una serie de procesos implicados en la eliminacin y control sanitario de los productos de desecho arrastrados por un agua contaminada (contaminacin: alteracin de la calidad natural del agua por actividades humanas). 2.1. Antecedentes histricos La recoleccin de aguas residuales urbanas se remonta a 3000 aos, habindose encontrado instalaciones de alcantarillado en Creta y ciudades asirias. Las canalizaciones de desage construidas por los romanos an funcionan en algunos lugares. Aunque su principal funcin era el drenaje, la construmbre romana de arrojar los desperdicios a las calles haca que, junto con las aguas de escorrenta, viajaban grandes cantidades de materia orgnica. Hacia finales de la Edad Media empezaron a usarse en Europa excavaciones subterrneas privadas y, ms tarde, letrinas. El contenido de estos pozos negros se empleaba como fertilizante en las granjas cercanas o era vertido en cursos de agua o tierras no explotadas. Siglos ms tarde se recuper la constumbre de construir desages, en su mayor parte en forma de canales al aire o zanjas en las calles. En el siglo XIX se acept que la salud pblica podra salir beneficiada si se eliminaban los desechos humanos a travs de los desages para conseguir su rpida desaparicin. Un sistema de este tipo fue desarrollado por Joseph Bazalgette entre 1859-1875 con objeto de desviar el agua de lluvia y las aguas residuales hacia la parte baja del Tmesis (principio victoriano). Con la introduccin del abastecimiento municipal de agua y la instalacin de caeras en las casas, llegaron los inodoros y los primeros sistemas sanitarios modernos. A pesar de las reservas iniciales, por el desperdicio de recursos que suponan, riesgos para la salud y su elevado precio, fueron muchas las ciudades que los construyeron. A comienzos del siglo XX, algunas ciudades e industrias empezaron a reconocer que el vertido de desechos en los ros provocaba problemas sanitarios. Se extendi el uso de la fosa sptica para el tratamiento de aguas residuales domsticas en reas urbanas y rurales. Las primeras instalaciones pblicas comenzaron a funcionar en la dcada de los 20 en Estados Unidos e Inglaterra, siendo el primer sistema utilizado el de filtros percoladores. En la actualidad, las modernas instalaciones deberan ser capaces de eliminar todos los agentes contaminantes que aparecen en concentraciones elevadas, y que en el caso de aguas urbanas son C, N y P. Las instalaciones de tratamiento biolgico deberan estar formadas por una sucesin de etapas aerobias, anaerobias y anxicas, complementarias entre si, que permitieran realizar una depuracin integral en las mejores condiciones tcnicas y econmicas posibles. Esto pocas veces es as, mismo en pases desarrollados.

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2.2. Depuracin convencional aerobia de aguas residuales urbanas En el tratamiento de las aguas residuales urbanas se combinan una serie de procesos fisico-qumicos y biolgicos, lo que supone la aplicacin de una sucesin de operaciones unitarias cuya utilizacin y secuencia vienen definidas por las caractersticas del agua a tratar y el grado de depuracin que se desea conseguir. Los procesos de una depuradora convencional aerobia se agrupan en:

lnea de aguas: pretratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario y tratamiento terciario

lnea de fangos: espesamiento, deshidratacin y evacuacin Mediante el pretratamiento y el tratamiento primario se eliminan fundamentalmente los slidos y flculos en suspensin. Mediante el tratamiento secundario la materia orgnica biodegradable disuelta y los restos de slidos en suspensin que no fueron eliminados en el primario, y con el tratamiento terciario se deberan eliminar los contaminantes que han pasado las etapas anteriores (fundamentalmente N y P) si bien, en la prctica, se limita a una desinfeccin con cloro. Vamos a describir someramente los diferentes procesos de una estacin depuradora aerobia convencional de agua residual urbana.

2.2.1. Lnea de aguas

Pretratamiento: Conjunto de operaciones cuya misin es la eliminacin de:

a) slidos flotantes de gran tamao (maderas, races, trapos, plsticos, papeles) b) slidos en suspensin de elevada densidad (arenas, arcillas, cenizas, objetos

metlicos) c) grasas y aceites

Son las primeras operaciones que se llevan a cabo con objeto de: a) proteger los equipos de daos mecnicos b) eliminar la abrasin c) evitar alteraciones en la circulacin del lquido por la planta d) evitar slidos de gran tamao en el tratamiento posterior

Incluye: a) cribado por rejas y tamices b) separacin de arena c) separacin de grasas y aceites

Tratamiento primario: Conjunto de procesos encaminados a la separacin, por medios fsicos, de las partculas en suspensin no retenidas en el pretratamiento. Normalmente incluye las operaciones de:

a) sedimentacin b) coagulacin y/o floculacin.

Si la sedimentacin por gravedad es muy lenta se aaden productos qumicos coagulantes que rompen el estado coloidal de las partculas y permiten la formacin de flculos. Tratamiento secundario:

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Su finalidad es reducir la materia orgnica (MO). La oxidacin biolgica de la MO se resume globalmente por la ecuacin:

M.O. + nutrientes + O2 + microorganismos ------> CO2 + H2O + NH3 + mat. orgnica + nuevos microorganismos Consta de dos fases:

a) Tiene lugar en el reactor biolgico. Se ponen en contacto el agua residual a tratar con los microorganismos y oxgeno.

b) Tiene lugar en los decantadores secundarios. Se separa la corriente lquida de los fangos producidos.

Los procesos biolgicos ms utilizados son (por orden de complejidad): a) balsas de estabilizacin b) lagunas aireadas c) filtros percoladores d) fangos activos

Tratamiento terciario: Su finalidad es eliminar los contaminantes que no lo han sido en los procesos anteriores. En muchos pases el tratamiento terciario queda limitado a una desinfeccin para eliminar patgenos, normalmente mediante la adicin de Cl2 gas en las grandes instalaciones y NaClO en las de menor tamao. La cloracin slo se utiliza si hay peligro de infeccin. Cada vez ms se est utilizando la desinfeccin con O3 que evita la formacin de organoclorados que pueden ser cancergenos. Con el sistema de depuracin convencional de aguas urbanas se eliminan de la corriente lquida los slidos en suspensin, gran parte de la MO y, en cierta medida, la posible contaminacin biolgica. No actan, sin embargo, sobre otros contaminantes como el N y el P, cuyo vertido masivo est causando la progresiva eutrofizacin de las aguas receptoras. Adems, los sistemas aerobios convencionales originan una enorme cantidad de fangos que tienen que ser tratados para poder ser evacuados.

2.2.2. Lnea de fangos

Espesamiento: Hay dos tipos de fangos: los fangos primarios, que se extraen del decantador primario, y los fangos secundarios, que son los fangos generados en el tratamiento biolgico. Los dos se concentran decantndolos por gravedad. Los segundos se pueden tambin concentrar en superficie mediante la inyeccin de aire. Digestin: Hay dos vas para estabilizar los fangos:

a) digestin aerobia. Aireacin prolongada para estimular el desarrollo de microorganismos aerobios y provocar su autooxidacin.

b) digestin anaerobia. La etapa limitante es la hidrlisis, lo que obliga a emplear tiempos de retencin (TR) muy largos (10-20/45 das) y buenos sistemas de mezcla. El biogs producido suele utilizarse con fines energticos.

Deshidratacin:

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Su objetivo es eliminar agua del fango para convertirlo en un slido fcilmente manejable y transportable. El sistema depende de la cantidad de fango y del terreno disponible. Los ms empleados son:

a) eras de secado b) filtros de vaco c) centrfugas d) filtros de banda e) filtros de prensa f) electrosmosis

El fango una vez seco puede ser transportado a un vertedero e incinerado (aguas urbanas con aporte industrial) o utilizado como corrector de suelos (aguas exclusivamente urbanas).

Cuando se habla de aguas residuales urbanas es necesario realizar una serie de consideraciones globales. La depuradora urbana convencional, fangos activos, es conceptualmente poco adecuada. Debido al metabolismo de los microorganismos que intervienen en el proceso, slo la mitad de la MO se degrada a productos finales (CO2 + H2O), mientras que el 50% restante se utiliza para sintetizar nuevos microorganismos (fangos) que deben ser estabilizados. Esto se manifiesta en tres factores negativos:

elevado consumo energtico para la aireacin;

elevada produccin de fangos no estabilizados cuyo tratamiento implica altos costes de instalacin y operacin; la depuracin se reduce, por lo general, a la eliminacin de MO carboncea.

En resumen, el proceso biolgico de depuracin aerobia de aguas residuales tiene elevados costes de operacin y serias limitaciones en cuanto a la eliminacin de N y P.

2.3. Depuracion anaerobia de aguas residuales urbanas

La depuracin anaerobia (DA) se ha impuesto durante los ltimos 15 aos sobre los procesos aerobios para el tratamiento de aguas residuales muy cargadas, sobre todo en el caso de los residuos agroganaderos y de las aguas residuales de la industria alimentaria. Sin embargo, las aguas residuales poco cargadas, como es al caso de las urbanas, presentan unas caractersticas que, en principio, parecen incompatibles con un tratamiento anaerobio.

Las aguas residuales urbanas en muchos pases son aguas fras y poco cargadas lo

que limita la aplicacin de la DA. A partir de los aos 80, con el desarrollo de nuevos reactores anaerobios, se empieza a estudiar la viabilidad del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas en condiciones de operacin razonables. Los resultados iniciales resaltaron la importancia decisiva de la temperatura. Los reactores que operan a temperaturas moderadas (T>20C) no presentan graves problemas, sin embargo a T

dX/dt / X = Y.k. S/(Ks+S) B siendo, dX/dt / X: tasa neta de crecimiento especfico X: concentracin de microorganismos presentes Y: coeficiente de produccin mxima B: coeficiente de descomposicin endgena k: tasa mx. de utilizacin de substrato/unidad de masa de

microorganismos S: concentracin de substrato Ks: conc. de substrato para la mitad de la tasa mxima de crecimiento

Es decir, que la velocidad de crecimiento de los microorganismos es proporcional a la concentracin de substrato. El inverso de la V especfica de crecimiento es el tiempo de retencin celular. El tiempo de retencin mnimo representa la mxima V especfica de crecimiento de los microorganismos. Para la DA tiene valores elevados, reflejo de los tiempos de generacin de las bacterias metanognicas. V.g. a 35C con una [S]=1000 mg/l el tiempo mnimo de retencin es de 11 das. Elevada proporcin de DQOb como SSV: Una elevada proporcin de la DQOb est como slidos suspendidos (hasta el 75%). Se ha sugerido que es ms efectivo tratar los slidos sedimentados (ya que los 2/3 de los SST sedimentan en menos de una hora) en un digestor anaerobio convencional (de los empleados en las plantas depuradoras para estabilizar el exceso de fangos) y la corriente lquida en reactores anaerobios. Sin embargo, sistemas como los lechos expandidos permiten tratar los SS ya que un 40% del lecho son espacios vacos. Los slidos son atrapados dentro del lecho o permanecen en la parte superior (son menos densos) hasta que son hidrolizados y una vez solubles convertidos en CH4.

Baja temperatura: La digestin debe realizarse a la temperatura del agua residual en los colectores, pues un calentamiento previo resultara inviable econmicamente. Esto implica moverse en unos rangos de temperatura muy bajos (8-10C para muchos pases). Sin embargo, se han obtenido muy buenos resultados trabajando con reactores de lecho expandido, donde no haba grandes diferencias entre 10 y 30C. Con reactores UASB los resultados han sido inferiores pues en estos reactores los SS no permanecen el tiempo suficiente como para ser hidrolizados ya que a bajas temperaturas las cinticas de hidrlisis disminuyen considerablemente.

Presencia de sulfatos: Cuando en las aguas residuales a tratar mediante DA existen sulfatos, en el biogs producido aparece H2S y en el efluente S2-. Esto es debido a las sulfobacterias que utilizan el SO42- como aceptor final de e- en la cadena respiratoria, utilizando, en general, la materia orgnica como dador de e-. Los principales substratos para su metabolismo son los cidos pirvico y lctico, y menos medida etanol, cidos grasos voltiles e incluso el cido benzoico. En las aguas residuales urbanas la concentracin de SO42- vara entre 130-400 mg/l. Cuando se reduce SO42- a S2- se consumen 2 g DQOb/g S. As, un agua que contenga 130 mg/l de SO42- y 320 mg DQOb/l emplear 260 mg DQOb/l para la reduccin de SO42- dejando slo 60 mg/l para la produccin de CH4. Pero la reduccin de sulfato no slo disminuye la produccin de metano y la calidad de los efluentes, si no que puede dar lugar a la desaparicin de las

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metanobacterias en las pelculas de los reactores anaerobios. Las bacterias sulfatorreductoras tienen un crecimiento ms rpido que las metanognicas y pueden competir favorablemente por los macroporos protegidos (posiciones favorables para la actividad microbiana) dejando a las bacterias metanognicas con una superficie activa muy limitada.

A pesar de todo lo anterior, el inters por tratar las aguas residuales domsticas

mediante sistemas anaerobios crece de da en da. En pases tropicales est siendo ya utilizado con xito, especialmente mediante reactores UASB.

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3. SISTEMAS AEROBIOS

3.1. Fangos activos

Se trata de un reactor donde se ponen en contacto el agua residual, la biomasa y el O2 disuelto, con unas condiciones de agitacin que permitan mantener la biomasa en suspensin -en forma de flculos- asegurando un buen contacto con el O2 disuelto. La agitacin evita sedimentos y homogeneiza la mezcla de los flculos bacterianos y el agua residual (licor de mezcla).

Tras un cierto tiempo de contacto el agua y los fangos en suspensin se llevan a un

decantador secundario donde se separa el agua clarificada. Parte de los fangos se recirculan al reactor para mantener una elevada concentracin de biomasa activa en el mismo. El excedente se extrae para su tratamiento y eliminacin. Los tipos de reactores comunes para sistemas de fangos activos son:

sin recirculacin: los tiempos de retencin hidrulicos y celulares son iguales

con recirculacin: dispone de un decantador secundario (tras el que decant la masa celular) que se recircula al reactor

Las configuraciones hidrulicas tpicas son:

Convencional. Formado por un tanque de aireacin, un clarificador secundario y una lnea de retorno de fango. El modelo de flujo es de pistn con recirculacin celular. El agua residual y el fango recirculado entran en el reactor por un extremo. Aireacin: 6 horas. Fango recirculado: 25-50%. Mezcla completa. Imita el rgimen hidrulico de un reactor con agitacin mecnica. La carga orgnica y el aporte de O2 son uniformes en todo el reactor. El licor de mezcla atraviesa lateralmente el reactor y tiene una agitacin completa por aireacin mecnica o difusores. Aireacin escalonada. El agua residual se introduce en distintos puntos del reactor, disminuyendo la demanda punta de O2. El tanque de aireacin se subdivide por medio de deflectores en varios canales paralelos. Cada canal es una fase y las distintas fases estn conectadas en serie. Contacto y estabilizacin. Trata de utilizar las propiedades de absorcin de los fangos activos. La eliminacin de la materia orgnica tiene lugar en dos etapas. En el tanque de contacto (20-40 min) se absorben la mayor parte de las materias coloidales. En el tanque de estabilizacin (3-6 horas) se degrada la materia orgnica absorbida y soluble. Canal de oxidacin. Se trata de un canal anular de 1 m de profundidad en el que hay un rotor de aireacin. Este airea el agua residual y lo hace circular a una velocidad de 0.3-0.6 m/s.

El tanque donde se lleva a cabo el proceso puede presentar diferentes

configuraciones hidrulicas, desde flujo pistn a completamente agitado. Para un buen funcionamiento es necesario que el fango sedimente fcilmente en el decantador secundario, lo que requiere que los microorganismos formen flculos densos. Si el substrato es muy diluido o la tensin de O2 baja, las bacterias adoptan formas filamentosas que facilitan la difusin del alimento y O2. Los flculos son muy "laxos", de sedimentacin lenta, lo que

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dificulta el proceso. Si el agua residual es diluida y fcilmente degradable es mejor utilizar un flujo pistn donde las concentraciones a la entrada del reactor son ms favorables. Si la mezcla a tratar es compleja y variable es mejor utilizar un reactor con agitacin completa.

El proceso de fangos activos es el mejor cuando se desea un efluente de alta calidad, el terreno disponible es limitado y los volmenes a tratar son grandes. Los HRT son bajos (4-8 horas) lo que le hace ms sensible a choques de carga, vertidos puntuales de substancias txicas, etc., requirindose personal experimentado.

Los fangos activos constituyen un ecosistema complejo con sus componentes: abiticos: constituidos por el medio fsico, es decir la planta depuradora y las caractersticas tecnolgicas de la misma. Las caractersticas del medio (composicin del agua residual, concentracin de oxgeno disuelto, temperatura, carga orgnica, etc.) afectan a la composicin y distribucin de microorganismos en el sistema.

biticos: representados por las comunidades de microorganismos descomponedores (bacterias, hongos, algunos protozoos flagelados) y consumidores (protozoos y metazoos) que constituyen la microbiota del reactor. Fundamentales son las condiciones fsico-qumicas y las interrelaciones entre microorganismos (competencia por nutrientes y oxgeno, depredacin).

3.2. Filtro percolador o lechos bacterianos

El filtro percolador est formado por un reactor con un material de relleno sobre el

que crece una pelcula de microorganismos aerobios (de aspecto limoso). Antiguamente se utilizaban piedras como relleno, pero hoy se prefiere material plstico de alta superficie y poca densidad. La altura del filtro puede alcanzar de 1-3 m en los de relleno tradicional (piedras de 10 cm de dimetro) hasta 12-15 m en los de relleno plstico. El agua residual se descarga en la parte superior mediante un distribuidor rotativo o mediante boquillas de pulverizacin fijas. A medida que el lquido desciende a travs del relleno entra en contacto con la corriente de aire ascendente y los microorganismos. La aireacin se efecta por tiro natural.

El O2 y la materia orgnica del agua difunden por la pelcula biolgica donde son

asimilados. En el fluido que percola se eliminan los subproductos y el CO2. El biofilm contiene bacterias hetertrofas prximas a la superficie y auttrofas (nitrificantes) en las capas ms internas. Es frecuente la presencia de hongos el las capas superiores y de algas en la superficie. Los filtros percoladores no permiten reducir de forma econmica ms all del 85% de la materia orgnica, pero son ms fciles de operar que los fangos activos y permiten un pretratamiento barato de aguas de elevada carga orgnica. Como pre-tratamiento slo se alcanzan rendimientos del 40-65%, pero la carga orgnica por hora y m2 es muy superior. Si se quiere alcanzar un elevado rendimiento se puede recircular parte del lquido tratado o utilizar dos etapas.

3.3. Contactor biolgico rotativo (biodisco)

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En este sistema el agua pasa horizontalmente a travs de un tanque en el que gira un eje con discos de gran tamao sobre los que crece la biomasa. Est formado por una estructura plstica de diseo especial, dispuesta alrededor de un eje horizontal. El cuerpo tpico es de polietileno de alta densidad y con gran superficie especfica. Una unidad de 3.6 m de dimetro y 7.5 m de largo puede tener hasta 15.000 m2 de superficie. La materia orgnica es absorbida por la biopelcula que se pone, alternativamente, en contacto con el aire y el agua. Los discos airean la pelcula biolgica, el agua del tanque y, por fuerzas tangenciales, desprenden el exceso de biomasa.

Segn la aplicacin puede estar sumergido de un 40-90% en el agua a tratar. Sobre el material plstico se desarrolla una pelcula de microorganismos, cuyo espesor se autorregula por el rozamiento con el agua. En la variante menos sumergida, el contacto peridico con el aire exterior aporta el oxgeno suficiente. Los sistemas ms sumergidos pueden llevar un aporte exterior de aire a presin que oxigena la masa y hace girar el conjunto. Los factores que ms influyen en la capacidad de depuracin de los RBC son:

velocidad de los discos: 5-7 m/min (para dimetro de 2m supone 1 rpm) (1 mg-O2/l). Si se desea nitrificacin ha de aumentarse.

temperatura

Al igual que en el filtro percolador, la produccin final de slidos es mnima, comparada con el proceso de fangos activos. Es tan eficaz como ste proceso (puede alcanzar un rendimiento del 80-90%), requiere un espacio mucho menor, es fcil de operar y tiene un consumo energtico y de explotacin reducido. En general, es estable y no produce olores. Adems, los RBC permiten no slo la eliminacin de materia orgnica, sino tambin la disminucin del N.

3.4. Tecnologas aerobias de bajo coste

La aplicacin de tecnologas blandas o de bajo coste al tratamiento de aguas residuales urbanas viene utilizndose en el mundo desde hace dcadas. Encuentran un campo de aplicacin especialmente adecuado en pequeas y medianas colectividades debido a:

su buen rendimiento en la eliminacin de patgenos; su facilidad de operacin y mantenimiento; buena integracin en el medio rural.

Los sistemas de depuracin convencionales aplicados a municipios pequeos y medianos pueden tener muchos problemas debidos, fundamentalmente, a su elevado coste de explotacin. Por ello se estn implantando sistemas de depuracin de bajo coste. 3.4.1. Lagunaje El concepto de lagunaje o lagunas de estabilizacin, se aplica a cualquier estanque o grupo de estanques diseado para llevar a cabo un tratamiento biolgico de aguas residuales. La materia orgnica se estabiliza (reduce la DBO) mediante procesos anaerobios o aerobios

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segn sea la laguna. Las lagunas de estabilizacin constituyen la solucin idnea para aquellos ncleos de poblacin donde:

el coste del suelo no es elevado

las cargas orgnicas pueden fluctuar hay escasez de personal cualificado los costes de explotacin deben ser bajos (el coste de eliminacin suele ser la mitad que en un sistema convencional)

Lagunas aerobias de maduracin: Se trata de grandes lagunas aireadas, con grandes tiempos de retencin (1-3 das), lo que les hace prcticamente insensibles a variaciones de carga, pero que requieren terrenos muy extensos. La agitacin debe ser suficiente para mantener los lodos en suspensin excepto en la zona ms inmediata a la salida del efluente. En condiciones de aireacin prolongada son comparables al proceso de fangos activos, pero debido al largo tiempo de residencia consiguen eliminar N (la cintica de degradacin del NO3- es lenta). En zonas fras son poco eficientes. En estas lagunas de supone que toda la masa del agua est en condiciones aerobias. Se trata de estanques de poca profundidad (0.3-1 m) con produccin mxima de algas. En el proceso aerobio participan fundamentalmente bacterias, pero tambin hay hongos y protozoos. El O2 es aportado por la actividad fotosint-tica durante el da y la aireacin atmosfrica por la noche. Estn diseadas para eliminar patgenos y reducir la DBO5 a niveles mnimos, ya que el grueso de la materia orgnica ha debido ser estabilizado previamente en lagunas anaerobias y facultativas (o por reactores convencionales). Su objetivo principal es producir un efluente de alta calidad. Lagunas facultativas. El lagunaje puede realizarse sin aireacin artificial, con lo que las condiciones pasan a ser parcialmente anaerobias. Los tiempos de retencin son mucho mayores (5-50 das) y la eliminacin de DBO, en general, insuficiente (50-80%), por lo que suelen requerir un tratamiento aerobio final. La profundidad puede variar de 1-2 m. En estas lagunas hay una capa superior aerobia, una zona central donde se encuentran las bacterias facultativas y una zona de fondo con fangos que son anaerobios. La mayor parte de las lagunas de estabilizacin son facultativas. Pueden ser las primeras de una serie o seguir a las anaerobias. Lagunas anaerobias: Estas lagunas estn formadas por estanques de ms de 2 m de profundidad (4m puede ser ptimo), en los que se produce una estabilizacin parcial de la materia orgnica (sta puede ser suficiente dependiendo del cauce receptor del vertido de las aguas tratadas). Un problema es que, si el diseo no es correcto, se pueden producir malos olores. La OLR (carga volumtrica) debe de ser 0.1-0.4 kg-DBO5/m3*d, dependiendo de la temperatura ambiental. El rendimiento vara entre 30 y >50% en eliminacin de DBO5 (>>60% SS). 3.4.2. Filtro biolgico o filtro verde Un filtro verde es un terreno cubierto de cultivos agrcolas o, ms normalmente, forestales sobre el que se sitan peridicamente aguas residuales procedentes de ncleos urbanos, con el fin de conseguir su depuracin mediante la accin conjunta de suelo, microorganismos y plantas, por una triple accin fsica, qumica y biolgica. Con los filtros

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verdes se pueden depurar y aprovechar aguas residuales de poblaciones que podran tener dificultades para instalar y, sobre todo, mantener estaciones depuradoras convencionales. Se pretende que el suelo acte como un filtro fsico y un soporte para la accin biolgica de las bacterias aerobias, primero, y de las plantas despus. La depuracin tiene lugar en los horizontes superiores, hasta una profundidad que no rebasa los 1,20 m. Las aguas que las atraviesan lentamente al percolar sufren dos procesos simultneos: un filtrado mecnico -que retiene los slidos en suspensin- y una oxidacin bacteriana que mineraliza la materia orgnica. Las bacterias aerobias se hallan en el suelo en una pelcula que rodea las partculas del suelo. La superficie de esta pelcula puede llegar a ser hasta de 5.000 m2 /m2 de superficie de terreno. En la descomposicin bacteriana de la materia orgnica, el N pasa de NH4+ a NO3- y el P a PO4x-. Las bacterias intestinales encuentran en el suelo condiciones hostiles (T baja, O2 alto, microorganismos autctonos) con lo que los efectos sanitarios son similares a los logrados en tratamientos convencionales. Una vez eliminados los slidos ms gruesos, las aguas se distribuyen en riego por gravedad en la forma denominada de riego a manta. La carga anual (al menos en choperas) es de 500-2800 mm de agua residual, lo que supone 10-50 mm/semana. El filtro verde es adecuado para:

poblaciones

elevada insolacin, mucha agua, escasa profundidad, elevadas concentraciones de nutrientes y gran capacidad de reciclaje interno. Todo ello favorece la actividad microbiana con lo que tienen gran capacidad para descomponer materia orgnica.

Los humedales construidos son zonas de inundacin, permanente o peridica, diseados para depurar un agua residual mediante procesos naturales. Como ecosistemas artificiales que son, hay que considerarlos como autnticos reactores biolgicos aerobios de pelcula fija. Se caracterizan por disponer de suelos saturados permanentemente en los que crecen plantas emergentes caractersticas de los humedales naturales. Por su elevada productividad presentan una gran capacidad para descomponer materia orgnica y reciclar elementos. La depuracin ocurre por la accin combinada de microorganismos y plantas. Se clasifican segn la circulacin del agua:

de flujo superficial. lmina de agua visible, expuesta a la atmsfera a travs de las partes areas de la vegetacin emergente. Semejante al lagunaje natural pero de menor profundidad (0.3-0.5 m) y con vegetacin;

de flujo subsuperficial. El agua circula por un medio poroso, por debajo de la superficie y en contacto con las races. Estos ltimos se dividen en verticales y horizontales segn el sentido del flujo.

Los humedales construidos se utilizan fundamentalmente en la depuracin de

aguas negras urbanas. Hay que considerarlos como un tratamiento secundario tras una fosa sptica o como un tratamiento terciario -tras una depuradora convencional- para eliminar nitrgeno y fsforo. Tambin pueden utilizarse para algunos vertidos no urbanos como aguas de escorrenta, drenaje de campos de cultivo, de granjas, lixiviados de vertederos y algunos vertidos industriales (alimentarias). Su aplicacin se ha generalizado desde mediados de los aos 80 (algunos pases europeos, USA, Australia) y a mediados de esta dcada haba ms de 1000 instalaciones funcionando, la mayora de menos de 1000 m2. Deben ser utilizados para menos de 2000 h.e. Son un alternativa ideal para zonas rurales y pequeos ncleos urbanos siempre que:

se disponga de la superficie necesaria los costes del terreno sean bajos no haya que impermeabilizar grandes superficies. Con ellos se consiguen: rendimientos de depuracin aceptables (80-95% en DBO5 y SS) evita contratar personal especializado costes de equipos, consumo energtico, etc. (mantenimiento) casi nulos nula produccin de fangos total integracin en el medio rural y muy til para programas de educacin ambiental.

Se componen de las siguientes estructuras bsicas: pretratamiento para reducir la materia en suspensin zona de entrada y distribucin de aguas el lecho, formado por un sustrato poroso y los vegetales zona de salida.

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Son monocultivos (mximo 2-3 especies). Las ms utilizadas son: carrizo (Phragmites australis), espadaa (Thypha angustifola) y juncos (Scirpus sp., Juncus sp.). Las plantas regulan la transferencia e oxgeno, transportando el aire desde la atmsfera a los rizomas. La recoleccin de la biomasa vegetal es el punto crtico de esta tecnologa. Es una labor costosa, por lo que se recomienda cosechar solo si se observa prdida importante de la lmina de agua libre.

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4. SISTEMAS ANAEROBIOS En la transformacin anaerobia de materia orgnica compleja hasta metano interviene un consorcio de microorganismos, principalmente bacterias, entre las que se dan interacciones, en muchos casos, sinergsticas. El proceso global es: M.O ---> CH4 + CO2 + NH3 + H2S La digestin anaerobia de materia orgnica libera al medio ambiente 500-800 millones de toneladas de metano por ao, lo que representa el 0.5% de toda la materia orgnica obtenida por la fotosntesis. Desde que Volta descubri el metano ("gas inflamable") en 1776, debi de transcurrir casi un siglo hasta que se relacion la metanognesis con un proceso bacteriano. Popoff (1875) fue el primero que investig sistemticamente la formacin del "gas de los pantanos" utilizando diferentes substratos complejos. Popoff encontr que los productos finales de la degradacin anaerobia de la celulosa eran CH4, H2 y CO2. En sus experimentos no pudo obtener CH4 a partir de acetato. Sin embargo, un ao despus, Herter (1876) observ que el acetato era convertido estequiomtricamente en CH4 y CO2 por un lodo de alcantarillado. Basado en consideraciones calorimtricas, Hoppe-Seyler lleg a la conclusin de que la energa que los organismos obtenan mediante la ruptura del acetato difcilmente les permitira crecer. A principios de siglo Shngen aisl por primera vez dos organismos que formaban CH4 a partir de acetato. Adems encontr que el H2 + CO2 podan actuar tambin como fuentes de metano. Durante los siguientes aos se observ que etanol, acetona, metil y butil alcoholes, frmico, actico e isobutrico, etc., podan ser fermentados a CH41. En 1947 Schnellen fue el primero en aislar dos cultivos puros de bacterias metanognicas (Methanosarcina barkeri y Methanobacterium formicicum) y 11 aos despus Smith y Hungate aplicaron satisfactoriamente la tcnica que lleva su nombre en el aislamiento de M. ruminantium. La tcnica de Hungate se utiliza actualmente para trabajar con anaerobios estrictos. Por los dicho anteriormente, puede parecer que se conocen en profundidad los procesos metablicos que tienen lugar en un digestor anaerobio. Esto es falso. La (bio)qumica y la microbiologa de la DA es extremadamente compleja y, hasta el momento, no ha sido an completamente elucidada, especialmente cuando se trata de la digestin de residuos orgnicos complejos. Al contrario de lo que sucede en los procesos aerobios, un complejo consorcio constituido por organismos muy diferentes participan en la conversin del substrato, a travs de numerosos productos intermedios, en sus productos finales (DIAPO). Para que el proceso de DA transcurra de forma equilibrada es de importancia capital que las diferentes conversiones biolgicas que tienen lugar permanezcan bien acopladas durante el proceso, evitndose la acumulacin de cualquier intermediario. La conversin biolgica de materia orgnica hasta CO2 y CH4 tiene lugar en varias etapas que

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transcurren simultneamente en el interior del digestor. Examinando el proceso en detalle, de manera un tanto arbitraria podemos considerar seis etapas:

Hidrlisis de los biopolmeros: protenas, lpidos y carbohidratos;

Fermentacin de azcares y aminocidos a H2, VFA de cadena corta y alcoholes; Oxidacin anaerobia de cidos grasos de cadena larga y alcoholes; Oxidacin anaerobia de intermediarios, principalmente AGV (excepto acetato); Conversin del acetato en CH4; Reduccin del CO2 mediante el H2 a CH4.

4.1. Cintica Como en cualquier proceso biolgico, para entender y manejar un reactor anaerobio se requieren unos conocimientos mnimos de sus aspectos cinticos. estos conocimientos son necesarios para:

El diseo de los sistemas de tratamiento, v.g.: factores que afectan a potenciales de carga del sistema; actividad de los microorganismos; transporte de los substratos; disponibilidad de los substratos La operacin y control de los sistemas de tratamiento, v.g. es necesario que el proceso est siempre bien equilibrado y no tenga lugar acumulacin de productos intermedios.

Los factores que deben de considerarse para determinar la tasa de bioconversin en sistemas de tratamiento anaerobios:

El elevado nmero de microorganismos diferentes involucrados, particularmente en la degradacin de los substratos ms complejos; Las diferentes caractersticas cinticas de los distintos organismos. Estos, generalmente, tambin son afectados de manera diferencial por los factores ambientales. V.g. pH, temperatura, compuestos inhibitorios, etc.; Intermediarios especficos, que pueden causar problemas inhibitorios del metabolismo de los organismos productores u otros microorganismos; Factores qumicos y fsicos, que pueden afectar seriamente la velocidad del proceso de conversin biolgica, tales como: - el tamao y la densidad de los substratos slidos - la solubilidad de los substratos - el transporte de substratos y productos Cambios en las condiciones ambientales, v.g. pH, alcalinidad, concentracin de NH4+, S2-, etc.

Puesto que intervienen numerosos organismos en el proceso, la tasa global es controlada por el paso ms lento, que no necesariamente es una de las etapas de degradacin biolgica, sino que puede ser de naturaleza fsica o qumica. En un digestor maduro y estable que trate un agua residual compleja la acumulacin de compuestos orgnicos solubles biodegradables debe ser muy baja. Normalmente, en estas condiciones, la tasa de produccin de CH4 es proporcional a la tasa de liquefaccin. Esta sigue, aprox., una cintica de primer orden: Vgas = Vsolubilizacin = Kp * P

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siendo P la concentracin de substrato slido biodegradable, y Kp la constante de decaimiento, que es estrechamente dependiente de la temperatura. Por debajo de 20C los carbohidratos se degradan significativamente ms lentos y los lpidos no son hidrolizados (la ref. es antigua). La determinacin del paso limitante es fundamental para el correcto funcionamiento de un digestor anaerobio, pero resulta problemtica, siendo funcin del tipo de MO, poblaciones bacterianas, flujo, temperatura, pH, etc. En general, es la hidrlisis de los biopolmeros quien delimita la velocidad de la degradacin, pero si los substratos solubles son dominantes, ser la conversin de acetato en CH4 la etapa clave del proceso. 4.2. Bioqumica y microbiologa Para lograr la degradacin de la MO a CH4 y CO2 se requiere la actividad combinada y coordinada de las diferentes poblaciones que conviven en un reactor anaerobio. Los substratos necesarios para unos microorganismos son producidos como consecuencia de la accin de otros y por lo que frecuentemente se encuentran asociados consorcios. Aunque es posible encontrar algunos hongos y protozoos las bacterias son, indudablemente, los microorganismos predominantes. Un gran nmero de anaerobios (estrictos y facultativos) se encuentran envueltos en la hidrlisis, fermentacin y metanognesis de los compuestos orgnicos. Hay cuatro/cinco categoras de bacterias involucradas en la transformacin de substratos orgnicos complejos en CH4 y CO2. Estos grupos operan de manera sinrgica. A excepcin de las principales bacterias metanognicas no se han realizado investigaciones detalladas sobre el resto de las poblaciones: hidrolticas y fermentativas, presentes en los DA. Organismos predominantes en algunos sistemas de tratamiento de residuos pueden no participar activamente en el proceso y ser meramente componentes del agua residual mismo, tal como es el caso de las coliformes. La mayor parte de la investigacin, desde el punto de vista microbiolgico, se ha centrado en la etapas acetognica y metanognica (tanto hidrogenotrfica como acetoclstica). 4.2.1. Hidrlisis En general, las bacterias slo pueden utilizar la MO cuando se encuentra en forma soluble, por lo que la asimilacin de los biopolmeros requiere previamente su ruptura o hidrlisis como primer paso: Partculas insolubles ------ compuestos solubles ---- CH4+CO2 HIDRLISIS FERMENTACIN Y METANOGENESIS Se trata de consorcios de bacterias anaerobias que rompen la materia orgnica compleja (protenas, carbohidratos, lpidos) en monmeros solubles (aminocidos, glucosa, c. grasos, glicerol), los cuales son utilizados por el siguiente grupo. Estas rupturas estn catalizadas por enzimas extracelulares, tales como celulasas, proteasas y lipasas.

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Esta fase es relativamente lenta y puede ser la etapa limitante de la D.A (v.g. caso de grasas). Sin embargo, en la degradacin de residuos con carbohidratos fcilmente hidrolizables, v.g. almidn, la hidrlisis del mismo y posterior acidificacin puede ser muy rpida, producindose una acumulacin de cidos y un descenso del pH, lo que inhibe la metanognesis ("chock" de carga). En general, la hidrlisis sigue una cintica de primer orden, aunque en el caso de ciertos residuos complejos, v.g. celulosa, es necesario recurrir a cinticas mixtas para explicarlo. Predominan bacterias Gram+ incluidas en los gneros Clostridium y Staphyloccocus, y Bacteroides Gram-. 4.2.2. Fermentacin y -oxidacin En esta etapa se convierten los monmeros anteriores en c. orgnicos (v.g. C1, C2, C3, C4, succnico, etc.), alcoholes y cetonas (metanol, etanol, glicerol, acetona), CO2 e H2. El acetato es el producto principal de la fermentacin de carbohidratos. Mientras que en la fermentacin la MO acta como dador y aceptor de e-, en la b-oxidacin anaerobia el dador de e- es un cido graso y el principal aceptor el H+. Los carbohidratos se hidrolizan a azcares los cuales se degradan hasta c. pirvico por medio de la glucolisis o cualquiera de las otras rutas glucolticas utilizadas por las bacterias. Las diversas fermentaciones (cido-mixta, propinica, butrica, lctica, alcohlica, acetona-butanol, etc.) transforman este compuesto en productos simples. Las protenas son, en primer lugar, hidrolizadas a aminocidos que son fermentadas por diferentes rutas metablicas dependiendo de su estructura y del microorganismo implicado. Un mecanismo que parece ser bastante general son las denominadas reacciones Stickland. En el caso de glicina y alanina, las ecuaciones son las siguientes: CH3-CH2NH2-COOH + 2 H2O ----> CH3-COOH + CO2 + NH3 + 4 H 2 CH2NH2-COOH + 4 H ----> 2 CH3-COOH + 2 NH3 El proceso global es: CH3-CH2NH2-COOH + 2 CH2NH2-COOH + 2 H2O --> 3 CH3-COOH + CO2 +3NH3 De acuerdo con este mecanismo, un aa sufre una descarboxilacin oxidativa a un c. graso saturado con un tomo de C menos mientras que otros dos aa son reducidos a c. grasos saturados con el mismo nmero de tomos de C. Durante el proceso se libera NH3 proveniente de la desaminacin de los aa. Los cidos grasos de cadena larga se originan en grandes cantidades de la hidrlisis de grasas y aceites, mientras que los de cadena corta se originan tambin en la fermentacin de carbohidratos y protenas. Su degradacin tiene lugar mediante la b-oxidacin. Por ejemplo, la va degradativa del caproico sigue los siguientes pasos:

-oxidacin: *CH3-CH2-*CH2-CH2-*CH2-COOH + 4 H2O ----> 3 *CH3-COOH + 8H

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Fermentacin del c. actico: 3 *CH3-COOH ----> 3 *CH4 + 3 CO2 Reduccin del CO2: CO2 + 4 H2 ----> CH4 + 2 H2O El resultado global de la reaccin es: *CH3-CH2-*CH2-CH2-*CH2-COOH + 4 H2O ----> 3 *CH4 + CH4 + 2 CO2 En el caso de cidos grasos con un n impar de tomos de C las bacterias liberan unidades de dos tomos de C (c. actico), producindose al final de la b-oxidacin una molcula de c. propinico. Los c. grasos insaturados son hidrogenados como paso previo. Probablemente pueden actuar como aceptores de H2. La conversin del C3 es la ms susceptible a variaciones en el proceso de digestin, habindose descrito un cultivo sintrfico capaz de catalizar la reaccin: CH3CH2COOH + 2H2O ----> CH3COOH + CO2 + 3H2 Sin embargo, existen serias dudas si la oxidacin del propionato es la bioqumicamente la misma que la oxidacin de los cidos grasos superiores. Las bacterias acidognicas son la poblacin dominante en un digestor anaerobio. La tasa de acidognesis es mucho mayor que la de metanognesis. Sin embargo en un DA en condiciones estables la concentracin de c. grasos suele ser baja. Una elevacin en su concentracin sugiere condiciones prximas al mximo de carga permitido o inestabilidad de la operacin. Dicha acumulacin provoca una cada del pH y la consiguiente reduccin de la metanognesis. Las principales bacterias del metabolismo intermediario son:

Bacterias de la fermentacin: Predominan bacterias Gram + del cido lctico y relacionadas: Lactobacillus, Streptoccocus, Staphylococcus, Microccocus; Gram -: Escherichia, Salmonella, Veillonela y reductoras de sulfato.

Bacterias de la -oxidacin: Clostridium, Syntrophomonas (OHPA: acetognicas productoras de H2 obligadas) FFA ----------> CH3COO- + H2 4.2.3. Acetognesis Se convierten los AGV y alcoholes en acetato, CO2 e H2, que son utilizados por las metangenas y sulfato-reductoras. Este grupo (Syntrophobacter wolinii, Syntrophomonas wolfei) requiere presiones parciales de H2 bajas para convertir los AGV. A presiones relativamente altas la formacin de acetato se reduce y aparecen C3, C4 y etanol el lugar de CH4. Existe una estrecha relacin simbitica entre acetgenas y metangenas, puesto que estas ltimas ayudan a reducir la PH2 requerida por las acetognicas. CH3CH2OH + HO2 ---> CH3COOH + 2H2

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CH3CH2COOH + 2H2O ---> CH3COOH + 3H2 + CO2 CH3CH2CH2COOH + 2H2O ---> 2CH3COOH + 2H2 Las bacterias acetognicas crecen mucho ms rpido que las metanognicas (mmax 1h-1 para las primeras y 0.04 h-1 para las segundas).

4.2.4. Metanognesis Las arqueobacterias metanognicas son las ms sensibles al O2 de los microorganismos conocidos y, por tanto, las ms estrictamente anaerobias. No pueden utilizar productos orgnicos complejos y su metabolismo energtico est dirigido hacia la produccin de CH4 como nico producto final. Las bacterias metanognicas crecen lentamente, con tiempos de generacin desde 3 das a 35C hasta 50 das a 10C. Se subdividen en dos categoras:

metangenas hidrogenotrficas. metangenas acetotrficas o acetoclsticas. El 70% del CH4 generado en un DA proviene del acetato, mediante una reaccin de descarboxilacin: 14CH3-COO- + H2O ----> 14CH4 + HCO3- DG0 = - 28.2 KJ El acetato es metabolizado fundamentalmente por los gneros Methanosarcina y Methanotrix.

Methanosarcina Methanosaeta max (h-1) 2-3*10-2 (1.4-2 d) 3*10-3 (2 sem.) Ks (moles/l) 5*10-3 (300 mg/l) 0.5*10-3 (30 mg/l) Y (g/mol) 1.5-2 0.5*10-3

Valores cinticos (para acetato) para cultivos puros a 30-37C El 30% restante proviene de la reduccin del CO2 por el H2: CO2 + 4H2 ----> CH4 + 2H2O DG0 = -139.2 KJ reaccin que es llevada a cabo por, prcticamente, todas las especies de metanobacterias Existen otros pocos substratos de las metanobacterias. Las especies incluidas en los rdenes Methanobacteriales y Methanococcales slo pueden utilizar H2 y, muchas pero no todas, cido frmico. Las diferentes especies incluidas en el orden Methanomicrobiales pueden utilizar, adems, acetato, metanol y metilaminas.

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La metanognesis hidrogenotrfica requiere la intervencin de un coenzima exclusivo de las metanobacterias: el CoM (HS-CH2-CH2-SO3-, c. b-mercaptoetanosulfnico), implicado en la transferencia de grupos metilo (DIAPO): H2, Mg2+, ATP CH3-S-CoM --------------------> CH4 + HS-CoM metilreductasa Origen y naturaleza de las bacterias del digestor. El tratamiento de aguas residuales presenta la ventaja, con respecto a otros procesos industriales biotecnolgicos, de no precisar de esterilidad ni de cultivos puros. El propio agua residual suele llevar el inculo inicial para los procesos de digestin y actuar como fuente continua de biomasa fresca, evitndose una posible degeneracin de las cepas mediante esta reinoculacin continua del reactor. En los reactores de segunda generacin, capaces de retener grandes cantidades de biomasa activa, la importancia de este fenmeno es menor. La proporcin de anaerobios obligados/facultativos depende de la carga del reactor. As, aunque parece normal encontrar una proporcin de 10-100 veces de los primeros sobre los segundos, producto del bajo Eh, cuando se tratan desechos animales se pueden encontrar relaciones 1/1, o incluso E. coli o Streptococcus sp. fecales pueden llegar a ser dominantes al haberse adaptados desde su hbitat primitivo al nuevo entorno. En cuanto al efecto de la temperatura, slo comentar un dato curioso: en un reactor trabajando en condiciones mesoflicas, las bacterias mesfilas constituyen las poblaciones predominantes pero se han encontrado hasta un 9% de termfilas (55C) y un 1% de termfilas obligadas (60C). En un ambiente donde el CO2 y los H+ son los nicos aceptores de e- el metano se genera a partir de ellos como vimos en la DIAPO. Sin embargo, en presencia de otros aceptores de e-, tales como compuesto de S oxidados (SO42-, SO32-), xidos de N (NO3-, NO2-), metales oxidados (Fe, Mn), los patrones de fermentacin varan notablemente. Los substratos orgnicos son oxidados casi completamente a CO2 y los e- generados transferidos a los aceptores inorgnicos por medio de bacterias que catalizan especficamente las correspondientes reacciones redox. La metanognesis tiene lugar slo despus de que todos ellos han sido completamente reducidos. E0 (V) Fe3+ / Fe2+ +0.77 respiracin con hierro NO3- / NO2- + 0.43 respiracin con nitrato SO42- / HS- -0.22 respiracin con nitrato CO2 /CH4 -0.24 respiracin con carbonato S0 / HS- -0.27 respiracin con azufre CO2 / C2H4O2 -0.29 respiracin con carbonato

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En presencia de NO3- o NO2- los organismos desnitrificantes son los primeros en actuar: 5 H2 + 2 H+ + 2 NO3- ----> N2 + 6 H2O De especial inters en el TAAR son los compuestos de S oxidados, puesto que se encuentran en muchos tipos de aguas residuales: 4 H2 + SO42- ----> H2S + 2 H2O + 2 OH- (96 g SO42- pueden oxidar 64 g DQO-materia orgnica) Junto a lo que ya hemos comentado con anterioridad, la propia reduccin de SO42- es por si misma perjudicial para el desarrollo de poblaciones acetognicas-metanognicas equilibradas. Son predominantemente las bacterias SO42--reductoras las que utilizan el H2 en lugar de las metanognicas (tasa de crecimiento mayor, mayor eficiencia energtica, menor Ks). Esto puede dar lugar a una grave acumulacin de cido propinico y otros substratos acetognicos. 4.3. Formas de la biomasa Las clulas microbianas se presentan en una gran variedad de tamaos, formas y fases de crecimiento, bien individualmente o formando agregados con diversas microestructuras. Estas condiciones son de gran inters prctico, puesto que la forma de la biomasa tiene un efecto significativo sobre la supervivencia del organismo, su capacidad de permanecer en el reactor y sobre la transferencia de nutrientes, y, por tanto, sobre la eficiencia general del proceso de digestin. En un sistema con turbulencias, v.g. agitacin mecnica o por burbujas de biogs, la biomasa unida puede permanecer, mientras que las clulas en suspensin son arrastradas con el efluente. Partculas abiticas pueden ser utilizadas como centros de adhesin para las bacterias, favoreciendo su persistencia al incrementar su densidad y favorecer la sedimentacin. El amalgama de metanobacterias con otros consorcios granulares favorece la degradacin de la MO y la conversin final en CH4, al aumentar la proximidad de los substratos y eliminar materiales potencialmente txicos, adems de proteger de fluctuaciones ambientales. Las microestructuras que forman la biomasa son las determinantes en cuanto a la transferencia de materia. La forma del agregado con una estructura particular depende de numerosos factores, entre los que se incluyen el tamao del microorganismo, su capacidad de excretar mucopolmeros, la posicin relativa de otras clulas, el tipo de agua y las condiciones de carga e hidrulicas, el diseo del reactor, etc. Cada tipo de reactor desarrolla un tipo de agregado caracterstico. Adhesin: Los fenmenos de adhesin bacteriana a partculas inertes, substratos en forma de SS o entre las propias bacterias son el principal mecanismo para retener biomasa en un

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reactor y alcanzar las elevadas concentraciones que necesitan los denominados high-rate systems o reactores anaerobios de segunda generacin. Factores que gobiernan la adhesin bacteriana inicial son:

La naturaleza del substrato (partculas carriers o soportes), incluyendo propiedades tales como: porosidad, estructura y dimensin de los poros, carga superficial, densidad, rea superficial especfica, tensin superficial, etc.

Factores ambientales, tales como pH, temperatura, fuerza inica, composicin y concentracin de los compuestos orgnicos en disolucin, y rgimen de flujo. Propiedades de los microorganismos involucrados, tales como sus caractersticas superficiales, fisiologa y morfologa.

Ventajas de los agregados sobre el crecimiento disperso o floculento: Existen diferentes razones que hacen que sea ms ventajoso para las bacterias agruparse que crecer de forma dispersa:

conducen a la estructuracin de poblaciones heterogneas sintrficas en forma de asociaciones multicelulares bajo condiciones fisiolgicas favorables.

se facilitan las interacciones nutricionales (simbiosis) e intercambio gentico entre poblaciones adyacentes se minimiza la distancia para la difusin de los productos intermedios de la cadena trfica de degradacin de un substrato complejo el crecimiento en el interior de un grnulo puede incrementar la toma de nutrientes protege de los depredadores (v.g. protozoos ciliados) si la composicin/condiciones del medio lquido (bulk solution) es desfavorable para el crecimiento (v.g. pH) pueden crearse micronichos en el interior de los agregados en los que las condiciones puedan ser fisiolgicamente adecuadas.

Consideraciones sobre un tipo particular de biomasa, el lodo granular: aunque para el tratamiento de aguas residuales utilizando reactores UASB no es imprescindible utilizar lodo granular, lo cierto es que la mayor parte de los reactores se disean de forma que ste se requiere para el correcto funcionamiento del reactor. La formacin de grnulos - a partir de un inculo floculento - es un proceso lento, con lo que el arrancado de un UASB industrial lleva varios meses hasta que puede operar con las cargas de diseo. Sin embargo, hoy en da la mayor parte de los reactores industriales se arrancan utilizando como inculo lodo granular, con lo que el arrancado lleva slo unos pocos das. Y ello a pesar de que las condiciones ambientales y nutricionales (tipo de agua residual) nuevas puedan ser muy diferentes de las que estaba sometido el lodo utilizado como inculo (ojo, durante este perodo de adaptacin el lodo es ms inestable).

4.3.1. Caractersticas de los grnulos

a) Transporte: difusin, porosidad y tamao del grnulo: El principal mecanismo para el transporte de substratos solubles as como productos intermedios y finales es la difusin. El crecimiento del grnulo y su calidad dependen de la capacidad de transporte a travs del grnulo. Su limitacin produce una actividad especfica baja y puede causar la desintegracin del grnulo. La limitacin en el transporte de gases puede dar lugar a la flotacin del lodo y su lavado.

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En sistemas agitados y para substratos solubles y pequeos no debe haber trabas a la difusin dentro del grnulo. As, se ha medido que la constante de difusin del acetato es casi igual en el grnulo que en el agua. Junto a la difusin la porosidad puede jugar tambin un papel importante en el transporte, pues el volumen de poros representa un 40-80% del de el grnulo. Parece ser que la porosidad es inversamente proporcional al tamao del grnulo (los grnulos ms pequeos tienen mayor porosidad). En general se puede afirmar que las limitaciones al transporte de substratos se incrementan con el dimetro de los grnulos. Sin embargo no existen grandes diferencias en la afinidad por los substratos entre grnulos de diferentes tamaos, lo cual probablemente indica que el ncleo de grandes grnulos puede sufrir autolisis y solo el exterior es biolgicamente activo.

El mximo tamao de un grnulo depende de la profundidad a la que puede penetrar el substrato en su interior. Desde el momento en que el radio exceda de esta penetracin el ncleo sufrir limitacin de substrato. Esto sucede si el grnulo se hace demasiado grande debido a distintos factores, tales como un crecimiento no compensado con la prdida de biomasa por fuerzas de friccin, desintegracin, lavado, etc.

a) Competencia entre poblaciones: Una de las mayores fuentes de materia en suspensin

en el influente de un reactor anaerobio es debida a la pre-acidificacin del agua residual. Esta da lugar a la formacin de cantidades importantes de bacterias acidognicas que pueden causar problemas de flotacin en el reactor metanognico.

El lodo granular normalmente contiene todas las especies bacterianas necesarias para

la degradacin de los compuestos orgnicos presentes en el agua residual a la que est expuesta. En el caso de aguas no-acidificadas predominarn las bacterias acidognicas. Obviamente el grado de pre-acidificacin afecta a la composicin de las poblaciones del grnulo. Operando un rector con sacarosa y alta OLR se desarrollarn abundantes filamentos, probablemente bacterias acidognicas, que pueden llegar a desplazar a las poblaciones metanognicas presentes.

En aguas residuales que contienen sulfatos tiene lugar una competicin entre bacterias sulfato reductoras (BSR) y metanognicas (BPM). La formacin de grnulos metanognicos-sulfidognicos se ve favorecida por elevadas velocidades superficiales y bajos HRT. Aunque las caractersticas termodinmicas y cinticas son favorables a las BSR sobre las BPM, en sistemas high-rate que utilizan acetato se ha visto que las BRS son menos competitivas que las BPM. Esto ha sido achacado a la menor capacidad de unin de las BSR (no forman o tardan mucho en formarse grnulos sulfidognicos). Sin embargo, parece ser que la razn de esto ltimo estriba en la baja presin selectiva de tales sistemas (debido a que la formacin de biogs es muy baja). Como resumen del tema podemos decir que est claro que unos conocimientos adecuados de la microbiologa es un prerrequisito para la aplicacin ptima del proceso de tratamiento anaerobio. Aunque todava queda mucho por conocer de la "caja negra" (como consideran los ingenieros a un reactor anaerobio) los conocimientos disponibles sobre la

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microbiologa anaerobia constituye una buena base para la operacin estable de los sistemas anaerobios de tratamiento de aguas residuales. El primer grupo de organismos que intervienen son las bacterias hidrolticas que hidrolizan los polmeros a monmeros. El segundo grupo son las bacterias fermentativas (acidognicas) que transforman los azcares, aminocidos, cidos grasos superiores y alcoholes en cidos grasos voltiles, H2 y CO2. El tercer grupo son las bacterias productoras de H2 y las acetognicas, las cuales convierten los productos de fermentacin de la primera etapa en H2, acetato y CO2. El cuarto grupo son las arqueobacterias metanognicas, las cuales convierten acetato, H2+CO2 y algunos compuestos sencillos como formiato, metanol y metilaminas en metano. 4.4. Tipos y caractersticas de reactores anaerobios Los reactores biolgicos utilizados para el tratamiento de aguas residuales pueden ser divididos en dos grandes grupos:

de lecho fijo (fixed-film), de crecimiento libre o suspendido (non-attached). En los primeros la biomasa est constituida por bacterias formando una pelcula sobre un soporte inerte, mientras que los segundos dependen de que los microorganismos formen grnulos o flculos en el reactor. Las bacterias que crecen en suspensin deben de formar flculos para permanecer en el reactor y no ser lavadas con el efluente, y la eficiencia del proceso depende en buena parte de la capacidad del inculo (lodos/residuos) para formar flculos y sedimentarse.

En base a tipo de crecimiento microbiano se consideran dos modelos: disperso y en biopelculas.

Los modelos de crecimiento disperso se utilizan para reactores de mezcla completa o CSTR, contacto y FB. Este modelo funciona muy bien en estado estacionario o en condiciones normales de operacin.

El modelo de crecimiento formando biopelculas tiene en cuenta la resistencia a la transferencia de masa y se utiliza para describir la degradacin de substrato en biofilms, grnulos y flculos. Se trata de un modelo complejo debido a la complejidad de las biopelculas, distribucin irregular de las mismas en un reactor, presencia de microcolonias, tneles e interacciones entre distintas poblaciones, etc., lo que hace que sea difcil -si no imposible- su utilizacin a escala industrial.

4.4.1. Reactores con la biomasa no unida a) Reactor de mezcla completa (CSTR: Continuosly stirred tank reactor): Al igual que

muchos otros biorreactores anaerobios el digestor de mezcla simple o reactor con agitacin continua fue desarrollado a partir de su homnimo aerobio. Tcnicamente se trata de un recipiente de acero, cemento o ladrillo, generalmente con aislamiento trmico, provisto de paletas para realizar la mezcla (DIAPO). El CSTR es el DA ms simple. Viene a ser un cultivo microbiano continuo, con una entrada continua de medio

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y una salida continua de residuos (agua tratada) y exceso de biomasa. Requiere altos HRT. Bien adaptados al tratamiento de aguas residuales con elevados niveles de SS.

b) Reactor de contacto (Contac process): La particularidad de este proceso es el reciclado

de parte de la biomasa. Tcnicamente comprende una alimentacin continua, un reactor de mezcla completa y un posterior decantador para separar slidos de lquidos (DIAPO). Frecuentemente se incluye una etapa de desgasificacin entre los dos tanques. El efluente es descargado y parte de la biomasa sedimentada retorna al tanque digestor, mezclndose con el influente. La reinoculacin de biomasa bien aclimatada puede mantener la estabilidad de un digestor de aguas industriales las cuales, a diferencia de las domsticas, generalmente tiene una microflora muy escasa. Las bacterias de estos reactores deben formar flculos que se mantienen en suspensin mediante agitacin mecnica, gas sparging o el propio reciclado. La agitacin no debe ser excesiva para evitar dispersar las estructuras microbianas. La separacin de los flculos tiene lugar en el tanque de sedimentacin, desde el que se recirculan al reactor. La separacin de los slidos y los lquidos es el paso crucial en los digestores de contacto. Lo difcil resulta eliminar el gas que se produce. Una solucin es enfriar el efluente que llega al separador. La reduccin de temperatura de 35-15C detiene la produccin de gas en el clarificador y favorece la floculacin de los slidos. Tambin pueden utilizarse coagulantes (NaOH + FeCl2), membranas de ultrafiltracin o vaco.

c) Reactor anaerobio de flujo ascendente con lecho/manto de lodos (UASB: Upflow

anaerobic sludge bed/blanket reactor): Desarrollado inicialmente en Holanda es el ms extendido. Las bacterias se encuentran presentes en forma de grnulos compactos de hasta 3-4 mm de dimetro que tienen una elevada capacidad de sedimentacin. Esto significa que es posible retener una gran cantidad de biomasa activa en el seno del reactor. Tcnicamente la innovacin de este tipo de reactores reside en una unidad de clarificacin situada en la parte superior del reactor (separador de tres fases)

La formacin de los grnulos es un proceso que no se comprende en su totalidad, aunque tiene que ver con el flujo ascendente. Algunos factores que afectan a la granulacin son:

condiciones ambientales

tipo de inculo condiciones del proceso aplicadas durante el arrancado

Tras unos meses de operacin se desarrollan grandes grnulos en el lecho del reactor y otros ms pequeos en el seno del mismo, que junto con flculos y burbujas de gas forman el manto de lodos. No se requiere agitacin mecnica y la mezcla se realiza gracias a un buen reparto del influente en el fondo y al biogs producido. El reactor UASB, debido a su elevada concentracin de biomasa (SRT muy altos), permite tratar cargas orgnicas muy altas. Ideal para materia orgnica biodegradable disuelta. No es bueno para aguas residuales con elevados SS.

4.4.2. Reactores con la biomasa unida a un soporte (Single-stage Fixed-film filter, Contact processes and Expanded Processes)

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La clarificacin y reciclado de la biomasa en suspensin presenta ciertas dificultades. Para evitarlas se han desarrollado varias tcnicas que inmovilizan la biomasa en, o alrededor de, partculas o superficies inertes. Los sistemas de Filtro anaerobio y RBC requieren una cantidad relativamente grande de materia inerte, mientras que los procesos de Contacto y reactores de Lecho fluido/expandido utilizan muy poca. a) Filtros anaerobios (Anaerobic fixed film filter): La biomasa se encuentra unida a un

medio inerte o atrapada en el. El influente atraviesa el reactor con flujo vertical, bien ascendente o descendente. Muchas substancias se han utilizado como soporte, con dimetros comprendidos entre 0.2 mm - 6 cm. En los filtros descendentes en soporte tiende a ser relativamente grande para evitar bloqueos. En los reactores de flujo ascendente (DIAPO) la biomasa se acumula fundamentalmente como flculos, mientras que en los sistemas descendentes (DIAPO) la biomasa es retenida casi en su totalidad como una pelcula sobre el soporte y paredes del reactor. La tasa de colonizacin de las bacterias depende de la rugosidad, porosidad, tamao de poro, etc. Entre los materiales estudiados como posibles matrices se incluyen lminas de cloruro de polivinilo, arcilla, "trozos" de tejas, poliester agujereado, cristal, etc. La espuma de poliuretano reticulada parece ser una excelente matriz. As mismo, han sido utilizados a gran escala o planta piloto plsticos, cermicas, ropas, piedras, ladrillos, grava, antracita, carbn activo, etc.

b) Reactor de disco rotatorio o lecho mvil (Rotating biological contactor): En el RBC los

microorganismos estn unidos a un soporte de plstico formando una pelcula. El soporte, constituido por una serie de discos paralelos, se encuentra total o parcialmente sumergido y gira lentamente sobre un eje horizontal dentro del tanque por el que fluye el medio a tratar (DIAPO). A medida que el soporte gira (lentamente: 1-7 rpm) la pelcula de microorganismos es expuesta a los nutrientes del medio. Tcnicamente el soporte consiste en un eje horizontal sobre el cual a distancias pequeas (2 cm) se sitan los discos (2-3 m dimetro y 2 cm de espesor) de material plstico. Los discos suelen estar separados por baffles y cada grupo acta como un reactor. Gran interfase lquido-gas en el reactor y gran cantidad de biomasa.

c) Reactores de contacto con transportador o soporte (Carrier-assisted contact reactors):

Estos reactores (tambin denominados CASBER: carrier-assisted sludge bed reactor) son, en esencia, idnticos a los sistemas de contacto pero con la incorporacin de un medio inerte en el reactor. La cantidad de material soporte es pequea (en comparacin con los FB) y consiste en partculas inertes de dimensiones muy pequeas (5-25 m de dimetro) que tienen baja velocidad de sedimentacin y pueden ser mantenidas en suspensin con un grado de mezcla relativamente bajo. Las bacterias se unen a las partculas (arena, antracita, Fe) y una parte importante de la biomasa se encuentra como flculos en suspensin. El efecto del medio inerte es favorecer la floculacin e incrementar la densidad de los flculos. Se ha sugerido que la floculacin puede ser una respuesta defensiva frente a la depredacin, pues los protozoos tienden a atacar a las clulas libres con preferencia sobre los microorganismos coloniales. El agua tratada es separada de la biomasa en un decantador externo y parte de los flculos y del lecho es reciclado al reactor.

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d) Reactores de lecho fluido y lecho expandido (Fixed-film expanded processes o Expanded/Fluided bed reactor): La depuracin anaerobia de aguas residuales en sistemas con crecimiento en suspensin est limitada por la actividad y concentracin de los lodos. Los sistemas con crecimiento de los microorganismos formando pelculas fijas dependen de la cantidad de biomasa inmovilizada, utilizndose un medio inerte de grandes dimensiones para minimizar problemas de bloqueo, lo que limita el rea y, consecuentemente, la biomasa. Estos problemas se resuelven con los sistemas de lecho fluido y lecho expandido. El pequeo tamao de partcula empleado como soporte permite la acumulacin de elevadas concentraciones de biomasa que forman pelculas alrededor de las partculas carrier. La expansin o fluidificacin del medio reduce o elimina los problemas de bloqueo. La distincin entre expansin y fluidificacin no est clara. Se considera como expansin cuando se incrementa un 5% del volumen del lecho, aunque algunos autores han descrito expansiones de hasta el 25%.

Tcnicamente, un reactor FEB es una estructura cilndrica, empaquetada hasta un 10% del volumen del reactor con un soporte inerte. Este puede ser arena, antracita, plstico, almina, resinas cambiadoras, tierra de diatomeas, carbn, bolas de vidrio, etc., con un dimetro de 0.3-3 mm, sobre el que las bacterias anaerobias forman un biofilm. La expansin tiene lugar gracias al flujo vertical generado por un elevado grado de recirculacin. La expansin del lecho es mantenida a un nivel tal que cada partcula carrier mantiene su posicin relativa respecto a las otras partculas del lecho. Si el flujo ascendente es tal que el lecho expandido se incrementa hasta el punto en el que la cada de presin es equivalente al peso medio del lecho (corregido por la densidad del lquido) entonces las partculas carrier pueden fluir libremente hacia la parte superior hasta el punto de mnima fluidificacin y cualquier incremento adicional de la velocidad de flujo dara lugar a la conversin del lecho expandido en un lecho fluido. En los reactores de lecho fluido la velocidad ascensional es tal que el lecho se expande hasta un punto en el que la fuerza gravitacional de descenso es igual a la de friccin por arrastre. Se requiere un grado de reciclaje extremadamente alto, y cada partcula no tiene una posicin fija en el lecho. Las principales ventajas de los FBR son:

minimizar los problemas de taponado (clogging), acanalado y gas hold-up;

acumular elevadas concentraciones de biomasa (rea superficial muy grande: 300 m2/m3); la elevada velocidad de flujo permite un contacto ptimo entre la biomasa y el agua residual a tratar, lo que incrementa la tolerancia a fluctuaciones y la OLR.

Problema: reciclado (coste) y problemas tcnicos.

4.4.3. Sistemas multi-etapas y en dos fases (Multi-stage operations and two-phase digestion).

a) Multi-stage operations: Un digestor anaerobio en una sola etapa o fase es como un

cultivo continuo, con mltiples conversiones microbianas que tienen lugar simultneamente. El crecimiento y el substrato residual dependen de la Vmax, la cual es diferente para diferentes substratos. As, por ejemplo, la V es muy grande para la fermentacin de los azcares pero los reactores raramente van a operar con HRT tan

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bajos (prximos a las velocidades mximas de crecimiento de las bacterias fermentativas) pues entonces se acumularan cidos.

Un cultivo bacteriano que disponga de una segunda etapa, operando en serie con la primera pero con diferente tiempo de retencin, aunque realice el mismo tipo de conversiones puede, tericamente, metabolizar los substratos residuales de la primera etapa. En teora pueden conseguirse mayores eficiencias, o tratarse mayores cargas, con menores tiempos de retencin.

Paralelo: Dos o ms sistemas anaerobios, realizndose en ambos tanto acidognesis como metanognesis.

Serie (staged): Dos o ms sistemas anaerobios en serie, cada uno de ellos realizando acidognesis y metanognesis. Fase: Sistema anaerobio con separacin fsica de las etapas acidognica y metanognica.

b) Digestin en dos fases: Un digestor anaerobio con dos fases es estructuralmente similar

al sistema en dos etapas. Se basa en la premisa de que las condiciones ambientales ptimas no son las mismas para los microorganismos fermentativos y metanognicos. Las conversiones bioqumicas secuenciales que permiten alcanzar el mximo de eficiencia, tienen lugar en un frgil equilibrio. Como productos intermediarios siempre aparecen AGV los cuales, si se acumulan, pueden causar el fallo del reactor. Si se pueden separar las dos fases (acidognesis y metanognesis) cada una de ella podra operar en sus condiciones ms ptimas. La primera unidad recibe las aguas residuales brutas, mientras que la segunda recibira el efluente de la primera ajustado a sus condiciones ptimas (pH, HRT, etc).

4.4.4. Sistemas de segunda generacin (hight rate reactors)

Durante muchos aos, el tratamiento anaerobio ha sido la solucin tecnolgica

aplicada a la estabilizacin de residuos ganaderos y lodos de depuradoras urbanas. Se trataba de digestores tipo CSTR, con largos tiempos de retencin, lo que implica grandes volmenes. Sin embargo, la aplicacin de tecnologas anaerobias al tratamiento de aguas residuales industriales es relativamente reciente. El desarrollo de los denominados sistemas de segunda generacin (hight-rate reactors) , que permiten separar el HRT del SRT -y, consiguientemente, aplicar altas OLR- ha facilitado mucho la utilizacin de sistemas anaerobios para tratar grandes volmenes de aguas residuales industriales. Durante los ltimos 30 aos se han desarrollado diferentes diseos que permiten separar, de manera efectiva, el HTR y SRT. Hoy en da es una tecnologa madura.

Los reactores de segunda generacin se basan en tres aspectos fundamentales: Acumulacin, dentro del reactor, de la biomasa por sedimentacin, unin a partculas slidas (fijas o mviles) o recirculacin. Tales sistemas permiten retener a microorganismos que crecen muy lentamente, asegurando que el S(solid, sludge)RT sea mucho mayor que el HRT.

Mejora del contacto entre la biomasa y el agua residual, solucionando los problemas de difusin de substratos o productos entre el lquido y la biopelcula. Mejora de la actividad de la biomasa mediante adaptacin y crecimiento.

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Vamos a comparar estos aspectos para los principales tipos de reactores anaerobios. Retencin de la biomasa: El principal factor que determina la eficiencia de la operacin es la capacidad para retener una elevada concentracin de biomasa en el reactor mediante la separacin efectiva de la biomasa de la fase lquida.

UNION SUSPENSION FB>AF>hbrido AF>UASB granular>UASB floculento>contacto

Requerimientos para retener la biomasa:

REACTOR REQUERIMIENTOS CONDICIONES Contacto Biomasa apta para separarse por:

flotacin, sedimentacin o filtracin Desgasificacin en sedimentador externo

AF Formacin de biopelculas estables Separacin de gas/slido interna o por sedimentador externo

AF-hbrido Biomasa con buenas caractersticas de sedimentacin

Separacin de gas/slido interna o por sedimentador externo

UASB Biomasa con buenas caractersticas de sedimentacin

Eficiente separador de gas/lquido/slido

FB/EB Formacin de biopelculas estables Soporte adecuado; recirculacin adecuada

Contacto entre la biomasa y el agua residual: El segundo aspecto fundamental que determina el funcionamiento de los reactores anaerobios de segunda generacin es conseguir un contacto ptimo entre la biomasa retenida y el agua a tratar. Los requerimientos y condiciones para conseguir esto se resumen en la siguiente tabla: REACTOR REQUERIMIENTOS CONDICIONES Contacto Mezcla adecuada Lodo estable frente a la agitacin

mecnica. Dispositivo de agitacin adecuado.

AF Distribucin regular del influente. Evitar cortocircuitos

Nmero y distribucin de los puntos de alimentacin. Buena mezcla en el lecho. Evitar acanalado.

UASB Distribucin regular del influente Nmero y distribucin de los puntos de alimentacin. Buena mezcla en el lecho.

FB/EB Distribucin regular del influente. Altura del reactor.

Nmero y distribucin de los puntos de alimentacin. Tasa recirculacin.

Hay tres factores que afectan muy negativamente el buen contacto entre el agua y la biomasa:

acanalado, esto es, formacin de caminos preferenciales. Ocurren, p.e., cuando se forman grandes burbujas de gas en reactores altos, las cuales atraviesan el lecho y crean caminos con menor cada de presin por los que escapa el agua,

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zonas muertas, causadas por la compactacin del lodo o obstruccin de la matriz intersticial por slidos. Pueden formarse por mala mezcla, lo que puede conducir a una compactacin del lodo, o acumulacin de slidos no biodegradables. Puede inducir acanalado

obstruccin de los puntos de distribucin. Slidos inertes y slidos suspendidos: Una de las caractersticas importantes, relativas al agua residual, que afectan a la eleccin del diseo del reactor es la presencia de material refractario (no biodegradable). En la mayor parte de las aguas residuales los slidos orgnicos son mayoritariamente biodegradables. Su tasa de hidrlisis y el SRT determinarn si hay acumulacin o no de los mismos. Si las substancias no biodegradables son solubles, no afectaran al reactor. Respecto a los SS hay que destacar la importancia, no slo de la capacidad el reactor para biodegradarlos, sino tambin el efecto negativo que conlleva el que los slidos que entran se queden dentro del reactor. Diferentes reactores presentan diferente grado de tolerancia: Contacto. La concentracin que tolera depende de: i) el tipo de dispositivo de separacin utilizado (decantador, membrana); ii) la eficiencia del sistema interno de mezcla. Pueden lograr una degradacin importante de los SS. Filtro anaerobio. Toleran concentraciones medias. Reducen la actividad especfica del lodo y pueden causar colmatacin (blockages). Pueden lograr una degradacin importante de los SS. UASB. Slo puede manejar bajas concentraciones de SS, aunque puede funcionar bien si los SS son biodegradables. Altas concentraciones de SS pueden deteriorar los grnulos. FB/EB. Toleran altas concentraciones de SS, siempre y cuando los slidos pasen a travs del reactor. Incluso si son biodegradables, salen del reactor sin tratar. Conclusiones:

Los diferentes reactores funcionan correctamente si el diseo y condiciones de operacin son adecuadas. Alcanzan buenas eficiencias y pueden acomodarse a OLR muy altas.

La tecnologa anaerobia est bien establecida - existiendo experiencia suficiente de un buen nmero de reactores industriales - aunque an se encuentra en evolucin. La tecnologa anaerobia debe ser considerada como una ms de las tecnologas encaminadas al tratamiento de aguas residuales, pudiendo ser utilizada sola o integrada con otras tecnologas. Es posible utilizar el tratamiento anaerobio para la mayor parte de las aguas residuales susceptibles de ser sometidas a sistemas biolgicos, aunque para compuestos txicos, recalcitrantes o aguas diluidas se precisa investigacin. La eleccin del sistema depende de mltiples considerandos.

4.4.5. Reactores anaerobios a nivel industrial

Resulta muy difcil conseguir informacin con respecto al nmero de reactores anaerobios full scale que operan en la actualidad y el volumen de trabajo de los mismos. Esto es especialmente difcil si tratan de separarse aquellos digestores construidos con el

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objetivo primordial de obtener biogs (a partir, generalmente de residuos agrcolas y que alcanzaron un mximo en el ao 82 coincidiendo con la crisis del petrleo) de aquellos reactores cuyo objetivo es depurar aguas residuales industriales. La diferencia se har ms patente cuando tratemos el tema del biogs. Refierindonos exclusivamente al nmero de plantas dedicadas a tratar residuos industriales, su nmero se ha venido incrementando de forma continua y no parece que haya tendencia a disminuir. Con objeto de tener una idea parcial pero actualizada de la evolucin y aplicacin de los reactores anaerobios a nivel industrial, vamos a comentar las instaladas por dos consulting engineering holandeses: Biothane System (Gist Brocades ) y Paques.

Hay que hacer dos precisiones: se trata de dos de los grupos lderes a nivel mundial el diseo de todos sus reactores est basado en el UASB.

Entre los dos grupos, desde 1983 hasta junio de 1993 han construido un total de 260 reactores industriales, ms de la mitad desde 1990. El desglose por tipos de industrias es: Cerveceras 58 Papeleras 42 Patata 28 Alcohol + destil. 25 Levadura panadera 15 Qumicas 12 Almidn 11 Azucareras 11 Otras ind. alimenticias 45 Otras 14 Observar que el 65% corresponde a industrias alimentarias. Segn datos de mediados de los 90 (Habets, 1996) haba en el mundo 900 reactores anaerobios full-scale, distribudos as: UASB (67%); CSTR (12%), AF (7%) y otros (14%).

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5. CONFIGURACIONES DE REACTORES ANAEROBIOS

5.1. Introduccin

La primera aplicacin de una unidad de tratamiento de aguas residuales fue reportada hace un poco ms de 100 aos. Era la fosa Mouras, una cmara de digestin anaerobia. En aquella poca, otros sistemas anaerobios fueron concebidos y ampliamente aplicados. Con el desarrollo de los eficientes sistemas anaerobios a principios de este siglo, especialmente los filtros biolgicos y los sistemas de lodos activados, la aplicacin del tratamiento anaerobio estuvo prcticamente limitada al tratamiento del lodo generado por los procesos anaerobios.

A partir de