Procesos bioló gicos unitarios

Metcalf & Eddy

En la mayoría de los casos, con un análisis y control adecuados del entorno, es posible tratar por vía biológica la práctica totalidad de las aguas residuales. Por lo tanto, es necesario que el ingeniero sanitario conozca perfectamente el funcionamiento y las características de cada uno de los procesos de tratamiento biológico, a fin de que pueda asegurar el control y adecuación del medio ambiente al proceso de tratamiento escogido. Teniendo en cuenta la importancia del tratamiento biológico, en este capítulo se pretende: (1) presentar una panorámica general del tratamiento biológico de las aguas residuales; (2) hacer una introducción de los aspectos importantes relacionados con el metabolismo microbiano; (3) hacer una introducción de los principales organismos responsables del tratamiento de las aguas residuales; (4) repasar y discutir los factores clave que intervienen en el crecimiento biológico y en la cinética del tratamiento de aguas residuales, y (5) ilustrar la aplicación de los principios básicos y de la cinética al análisis de los procesos biológicos más comúnmente empleados en el tratamiento del agua residual. La eliminación biológica de nutrientes y las técnicas de lagunaje se analizan en secciones diferentes. La información contenida en este capítulo proporciona las bases para el proyecto de los procesos de tratamiento biológicos discutidos en los Capítulos 10 a 12.

8.1 PANORÁMICA GENERAL DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DEL AGUA RESIDUAL

Para proporcionar el material necesario para abordar el resto de los temas que se van a tratar en este capítulo, en primer lugar se analizan los objetivos del tratamiento biológico del agua residual y el papel de los microorganismos en el mismo. Objetivos del tratamiento biológico

Los objetivos del tratamiento biológico del agua residual son la coagulación y eliminación de los sólidos coloidales no sedimentables y la estabilización de la materia orgánica. En el caso del agua residual doméstica, el principal objetivo es la reducción de la materia orgánica presente y, en muchos casos, la eliminación de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo. A menudo, la eliminación de compuestos a nivel de traza que puedan resultar tóxicos, también constituye un objetivo de tratamiento importante. En el caso de las aguas de retorno de usos agrícolas, el principal objetivo es la eliminación de los nutrientes que puedan favorecer el crecimiento de plantas acuáticas, como el nitrógeno y el fósforo. En el caso de aguas residuales industriales, el principal objetivo es la reducción de la concentración de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos. A menudo, puede ser necesario llevar a cabo un pretratamiento previo, debido a la potencial toxicidad de estos compuestos para los microorganismos.

Papel de los microorganismos

La eliminación de la DBO carbonosa, la coagulación de los sólidos coloidales no sedimentables, y la estabilización de la materia orgánica se consiguen, biológicamente, gracias a la acción de una variedad de microorganismos, principalmente bacterias. Los microorganismos se utilizan para convertir la materia orgánica carbonosa coloidal y disuelta en diferentes gases y tejido celular. Dado que el tejido celular tiene un peso específico ligeramente superior al del agua, se puede eliminar por decantación. Es importante señalar que, salvo que se separe de la solución el tejido celular que se produce a partir de la materia orgánica, no se alcanzará un tratamiento completo. Ello es debido a que el tejido celular, que es de naturaleza orgánica, aparecerá como parte de la medida de la DBO del efluente. Si no se separa el tejido celular, el único tratamiento que se habrá llevado a cabo es el asociado con la conversión bacteriana de una fracción de la materia orgánica presente originalmente en diversos productos gaseosos finales. 8.2 INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO MICROBIANO

La comprensión de las actividades bioquímicas de los microorganismos importantes es básica en el proyecto del tratamiento biológico y en la elección de los procesos que forman parte de él. Los dos temas principales que se estudian en este apartado son: (1) las necesidades nutritivas generales de los microorganismos habitualmente presentes en el tratamiento del agua residual, y (2) la naturaleza del metabolismo microbiano, en función de la necesidad de oxígeno molecular.

Necesidades nutritivas para el crecimiento microbiano

Para poder reproducirse y funcionar de manera correcta, un organismo necesita: (1) una fuente de energía; (2) carbono para la síntesis de materia celular nueva, y (3) elementos inorgánicos (nutrientes) tales como nitrógeno, fósforo, azufre, potasio, calcio y magnesio. Los nutrientes orgánicos (factores de crecimiento) también pueden ser necesarios para la síntesis celular. En el siguiente apartado se trata de las necesidades de fuentes de carbono y de energía, normalmente conocidas como substratos, de nutrientes y de factores de crecimiento para los diferentes tipos de organismos. Fuentes de energía y de carbono. La materia orgánica y el dióxido de carbono son dos de las principales fuentes de carbono celular para los microorganismos. Los organismos que utilizan el carbono orgánico para la formación de tejido celular se denominan heterótrofos. Los organismos que obtienen carbono celular a partir del dióxido de carbono reciben el nombre de organismos autótrofos. El proceso de conversión del dióxido de carbono a tejido celular orgánico es un proceso reductivo que precisa un suministro neto de energía. Por lo tanto, los organismos autótrofos deben emplear una parte mayor de su energía para la síntesis de tejido celular que los organismos heterótrofos, lo cual comporta unas tasas de crecimiento menores que las de éstos. La energía necesaria para la síntesis celular se obtiene de la luz o bien de las reacciones químicas de oxidación. Los organismos capaces de utilizar la luz como fuente de energía reciben el nombre de organismos fotótrofos. Estos organismos pueden ser heterótrofos (algunas bacterias sulfurosas) o autótrofos (algas y bacterias fotosintéticas). Los organismos que obtienen la energía a partir de reacciones químicas se conocen como organismos quimiótrofos. Al igual que en el caso de los fotótrofos, los

organismos quimiótrofos también pueden ser heterótrofos (protozoos, hongos y la mayoría de las bacterias) o autótrofos (bacterias nitrificantes). Los organismos quimioautótrofos consiguen la energía a partir de la oxidación de compuestos inorgánicos reducidos tales como el amoniaco, el nitrito y el sulfuro. Los organismos quimioheterótrofos suelen obtener la energía mediante la oxidación de compuestos orgánicos. En la Tabla 8-1 se resume la clasificación de los microorganismos en base a las fuentes de energía y carbono celular. En las Figuras 8-1 a 8-3 se esquematizan los mecanismos típicos de metabolismo bacteriano.

Necesidades de nutrientes y de factores de crecimiento. En ocasiones, los nutrientes pueden condicionar y limitar, en mayor medida que el carbono y la energía, la síntesis celular y el crecimiento bacteriano. Los principales nutrientes inorgánicos necesarios para los microorganismos son: N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na, y Cl, mientras que entre los nutrientes de menor importancia se hallan el Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni, V y W [34].

TABLA 8-1 Clasificación general de los microorganismos atendiendo a sus fuentes de energía y de

carbonoa

aAdaptado de la bibliografía [34]

FIGURA 8-1 Esquema del metabolismo bacteriano quimioheterótrofo.

Al margen de los nutrientes inorgánicos que se acaban de citar, algunos microorganismos pueden necesitar también algunos nutrientes orgánicos. Los nutrientes orgánicos, conocidos como «factores de crecimiento», son compuestos que necesitan

los organismos como precursores o constituyentes para la síntesis de materia celular orgánica que no se puede obtener a partir de otras fuentes de carbono. A pesar de que los factores de crecimiento varían de un organismo a otro, los principales factores de crecimiento se pueden dividir en las siguientes tres clases: (1) aminoácidos; (2) purinas y pirimidinas, y (3) vitaminas [34].

La nutrición bacteriana y los procesos de tratamiento biológicos. El principal objetivo de la mayoría de los procesos de tratamiento biológico es la reducción del contenido de materia orgánica (DBO carbonosa) del agua residual. Para conseguir este objetivo, son de gran importancia los organismos quimioheterótrofos, pues además de energía y carbono, también necesitan compuestos orgánicos. Cuando los objetivos del tratamiento incluyan la conversión de amoníaco en nitrato, son de gran importancia las bacterias nitrificantes quimioheterótrofas.

Las aguas residuales municipales suelen contener cantidades de nutrientes (tanto orgánicos como inorgánicos) adecuadas para permitir el tratamiento biológico para la eliminación de la DBO carbonosa. No obstante, en aguas residuales de origen industrial, puede ocurrir que no exista suficiente presencia de nutrientes. En tales casos, es necesario añadir nutrientes para permitir el adecuado crecimiento bacteriano y la consiguiente degradación de los residuos orgánicos.

FIGURA 8-2 Esquema del metabolismo bacteriano quimioautótrofo.

FIGURA 8-3 Esquema del metabolismo bacteriano fotoautótrofo.

Tipos de metabolismos microbianos

Dentro de las organismos quimioheterótrofos, se puede realizar una nueva clasificación atendiendo a las características de su metabolismo y a sus necesidades de oxígeno molecular. Los organismos que generan energía por transporte de electrones mediante enzimas desde un donante de electrones hasta un aceptor de electrones exterior tienen un metabolismo respiratorio. En cambio, el metabolismo fermentativo no incluye la participación de un aceptor exterior. La fermentación es un proceso de producción de energía menos eficiente que la respiración; como consecuencia de ello, los organismos heterótrofos estrictamente fermentativos se caracterizan por tasas de crecimiento y de producción celular menores que las de los organismos heterótrofos respiratorios. Cuando el oxigeno molecular actúa como aceptor de electrones en los metabolismos respiratorios, el proceso recibe el nombre de respiración aerobia. Los organismos que se basan en la respiración aerobia para satisfacer sus necesidades energéticas sólo pueden sobrevivir si existe una aportación suficiente de oxígeno molecular. Estos organismos reciben el nombre de organismos aerobios obligados. Algunos compuestos inorgánicos oxidados tales como el nitrato o el nitrito, pueden hacer las funciones de aceptores de electrones para ciertos organismos respiratorios en ausencia de oxígeno molecular (véase Tabla 8-2). En la ingeniería ambiental, los procesos en que intervienen estos organismos reciben el nombre de procesos anóxicos.

TABLA 8-2

Aceptores de electrones en las reacciones bacterianas normalmente presentes en el agua residual

aTambién conocida corno desnitriricación anóxica

Los organismos que generan energía por fermentación y sólo pueden existir en un medio en ausencia de oxigeno, se denominan anaerobios obligados. Los organismos que generan energía por fermentación y que tienen la capacidad de crecer, tanto en presencia como en ausencia de oxigeno molecular, reciben el nombre de organismos anaerobios facultativos, y se pueden clasificar en dos grupos, atendiendo a sus posibilidades metabólicas. Los organismos anaerobios facultativos puros pueden cambiar de metabolismo fermentativo a respiratorio, dependiendo de la presencia o ausencia de oxigeno molecular. Los organismos anaerobios aerotolerantes tienen un metabolismo estrictamente fermentativo, pero son relativamente insensibles a la presencia de oxigeno molecular. 8.3 MICROORGANISMOS IMPORTANTES EN EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO DEL AGUA RESIDUAL

Los microorganismos se suelen clasificar, según su estructura y funcionamiento celular, en eucariotas, eubacterias y arqueobacterias, tal y como se muestra en la Tabla 3-11. Los grupos procariotas (eubacterias y arqueobacterias) suelen denominarse simplemente bacterias, y son primordiales en el tratamiento biológico. El grupo de las eucariotas incluye las plantas, animales y las protistas. Los organismos eucariotas importantes en el tratamiento biológico de las aguas residuales incluyen (1) los hongos, (2) los protozoos y los rotíferos, y (3) las algas. Bacterias Las bacterias son organismos procariotas unicelulares. Su modo habitual de reproducción es por escisión binaria, aunque algunas especies se reproducen sexualmente o por gemación. Si bien existen miles de especies diferentes de bacterias, su forma general encaja dentro de alguna de las tres siguientes categorías: esféricas, cilíndricas y helicoidales. El tamaño de las bacterias es muy variable. Los tamaños representativos son de 0,5 a 1 micra de diámetro para las bacterias esféricas, entre 0,5 y 1 micra de anchura por 1,5 a 3 micras de longitud para las cilíndricas (bastoncillos), y entre 0,5 y 5 micras de anchura por 6 a 15 micras de longitud en el caso de bacterias helicoidales (espirales).

Estructura celular. En general, la mayoría de las células bacterianas son bastante parecidas (véase Fig. 8-4). Como se puede apreciar en la Figura 8-4, el interior de la célula, que recibe el nombre de citoplasma, contiene una suspensión coloidal de proteínas, carbohidratos, y otros compuestos orgánicos complejos. La región

citoplasmática contiene ácido ribonucleico (ARN), cuya principal misión es la síntesis de proteínas. Asimismo, en el citoplasma, se halla la región del núcleo, rica en ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN contiene toda la información necesaria para la reproducción de la totalidad de los componentes de la célula y se puede considerar como la base de la célula.

FIGURA 8-4 Esquema general de una célula bacteriana [31].

Composición celular. Diferentes ensayos realizados sobre una variedad de bacterias indican que su composición básica es del 80 por 100 de agua y el 20 por 100 de materia seca, de la que el 90 por 100 es materia orgánica y el 10 por 100 inorgánica. En la Tabla 8-3 se facilitan los datos típicos de la composición de las células bacterianas. Una fórmula que permite describir, de manera aproximada, su fracción orgánica es C5H7O2N [16]. Como la propia fórmula indica, el 53 por 100 en peso de la fracción orgánica es carbono. Cuando también se considera la presencia de fósforo, se puede emplear la formulación C60H87O23N12P. Los compuestos que forman parte de la fracción inorgánica incluyen: P2O5 (50%), SO3 (15 %), Na2O (11 %), CaO (9%). MgO (8%), K2O (6 %) y Fe2O3 (1 %). Puesto que todos estos elementos y compuestos deben proceder del medio ambiente en el que se desarrolla la célula, la falta de cualquiera de ellos limitará el crecimiento celular y, en algunos casos, será responsable de sus alteraciones.

TABLA 8-

Composición típica de las células bacterianasa

aAdaptado de la bibliografía [12, 34 y 35].

Necesidades medioambientales. Las condiciones ambientales de temperatura y de pH tienen un papel importante en la supervivencia y crecimiento de las bacterias. A pesar de que las bacterias pueden sobrevivir en un intervalo bastante amplio de valores de la temperatura y del pH, el crecimiento óptimo se suele producir en un intervalo muy restringido de valores de estos dos parámetros. Las temperaturas por debajo de la óptima tienen efectos más importantes sobre el crecimiento bacteriano que las superiores a aquélla; se ha podido comprobar que las tasas de crecimiento se doblan por cada aumento de 10ºC de la temperatura hasta alcanzar el valor óptimo. Según el intervalo de temperatura en el que el desarrollo bacteriano es óptimo, las bacterias se pueden clasificar en psicrófilas, mesólilas y termófilas. Los intervalos de temperatura óptima típicos para las bacterias de estas tres categorías señaladas están indicados en la Tabla 8-4. Para información más detallada de los organismos en los diferentes intervalos de temperatura consúltese la bibliografía incluida al final del capitulo L13-15, 34]. El pH del medio ambiente también constituye un factor clave en el creci-miento de los organismos. La mayoría de las bacterias no toleran niveles de pH por debajo de 4,0 ni superiores a 9,5. En general, el pH óptimo para el crecimiento bacteriano se sitúa entre 6,5 y 7,5.

TABLA 8-4 Intervalos de temperatura típicos para algunas bacterias

aTambién llamadas criófilas.

Hongos Se considera que los hongos importantes en ingeniería sanitaria son protistas heterótrofas, no fotosintéticas y multicelulares. Los hongos se suelen clasificar en función de su modo de reproducción. Se pueden reproducir sexual o asexualmente, por escisión, gemación, o por formación de esporas. Los mohos u «hongos verdaderos» producen unidades microscópicas (hifas), que colectivamente forman una masa filamentosa llamada micelio. Las levaduras son hongos que no tienen la capacidad de formar micelio, razón por la cual son unicelulares.

La mayoría de los hongos son aerobios estrictos. Pueden crecer con muy poca humedad y toleran ambientes con pH relativamente bajos. El pH óptimo para la mayoría de las especies es 5,6, mientras que el intervalo de tolerancia se sitúa entre 2 y 9. Los hongos tienen una baja demanda de nitrógeno, sólo necesitan, aproximadamente, la mitad que las bacterias. La capacidad de los hongos para sobrevivir en condiciones pH bajos y escasa disponibilidad de nitrógeno los convierte en organismos de gran importancia en el tratamiento de aguas residuales de origen industrial y en la formación de compuestos a partir de residuos sólidos orgánicos.

Protozoos y rotíferos

Los protozoos son protistas móviles microscópicas y, por lo general, unicelulares. La mayoría de los protozoos son heterótrofos aerobios, aunque algunos son anaerobios. Los protozoos suelen ser mayores que las bacterias, y se suelen alimentar de ellas para la obtención de energía. De hecho, al consumir bacterias y materia orgánica, los protozoos actúan como purificadores de los efluentes de procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales.

El rotífero es un animal aerobio, heterótrofo y multicelular. Su nombre procede del hecho de que disponen de dos juegos de pestañas giratorias sobre la cabeza, que emplean para la captura de alimentos y para moverse. Los rotíferos son muy eficaces en la eliminación de bacterias dispersas y floculadas, así como de pequeñas partículas de materia orgánica. Su presencia en un efluente indica un proceso aerobio de purificación biológica muy eficiente.

Algas Las algas son protistas unicelulares o multicelulares, autótrofas y fotosintéticas. Su importancia en los procesos de tratamiento biológico estriba en dos hechos. En lagunas de estabilización, la capacidad de las algas para generar oxígeno por fotosíntesis es vital para la ecología del medio ambiente acuático. Para que una laguna de oxidación aerobia o facultativa funcione adecuadamente, la presencia de algas es necesaria para suministrar el oxígeno a las bacterias heterótrofas aerobias. Esta relación simbiótica entre las bacterias y las algas se analizará con mayor detalle en la Sección 8.12, que trata de las lagunas de oxidación aerobias y facultativas. Las algas también son, asimismo, importantes en los procesos de tratamiento biológico porque el problema de la prevención del crecimiento excesivo de algas en los cuerpos

de agua receptores se ha centrado, hasta la fecha, en la eliminación de nutrientes en los procesos de tratamiento. Algunos científicos abogan por la eliminación del nitrógeno en los efluentes de las plantas de tratamiento; otros recomiendan la eliminación del fósforo; y un tercer grupo recomienda la eliminación de ambos constituyentes. Los objetivos del tratamiento condicionan el tipo de proceso biológico que hay que seleccionar.

8.4 CRECIMIENTO BACTERIANO

El control efectivo del medio ambiente en que se desarrolla el tratamiento biológico del agua residual se basa en la comprensión de los principios fundamentales que rigen el crecimiento de los microorganismos. El siguiente apartado trata del crecimiento de las bacterias, los organismos de mayor importancia en el tratamiento biológico. Características principales del crecimiento en cultivos puros

Como se ha indicado anteriormente, las bacterias se pueden reproducir por fisión binaria, sexualmente o por gemación. Por lo general, se reproducen por fisión binaria, es decir, por división; la célula original se transforma en dos nuevos organismos. El tiempo necesario para cada fisión, que recibe el nombre de tiempo de generación, puede variar entre días y menos de 20 minutos. Por ejemplo, si el tiempo de generación es de 30 minutos, una bacteria producirá 16.777.216 bacterias después de un periodo de 12 h. Esta es una cifra hipotética, puesto que las bacterias no continúan dividiéndose indefinidamente a causa de diversas limitaciones ambientales, tales como la concentración del substrato, la concentración de nutrientes, e incluso el tamaño del sistema. Crecimiento en términos de número de bacterias. La forma general en que se produce el crecimiento de las bacterias en un cultivo discontinuo se ilustra en la Figura 8-5. Inicialmente, se inocula un pequeño número de organismos en un volumen determinado de un medio de cultivo y se registra el número de organismos viables en función del tiempo. El modelo de crecimiento basado en el número de células consta, más o menos, de cuatro fases diferenciadas:

FIGURA 8-5 Curva de crecimiento bacteriano típica, en términos de número de bacterias.

1. Fase de retardo. Tras la adición de un inóculo a un medio de cultivo, la fase de retardo representa el tiempo necesario para que los organismos se aclimaten a las nuevas condiciones ambientales y comiencen a dividirse. 2. Fase de crecimiento exponencial. Durante esta fase, la célula se divide a una velocidad determinada por su tiempo de generación y su capacidad de procesar alimento (tasa constante de crecimiento porcentual). 3. Fase estacionaria. En esta fase, la población permanece constante. Las razones que se apuntan para la explicación de este fenómeno son las siguientes: (a) las células han agotado el substrato o los nutrientes necesarios para el crecimiento, y (b) la generación de células nuevas se compensa con la muerte de células viejas. 4. Fase de muerte exponencial. Durante esta fase, la tasa de mortalidad de bacterias excede la de generación de células nuevas. La tasa de mortalidad suele ser función de la población viable y de las características ambientales. En algunos casos, la fase de muerte exponencial se corresponde con la inversa de la fase de crecimiento exponencial. Crecimiento en términos de masa de bacterias. El modelo de crecimiento también se puede abordar estudiando la variación con el tiempo de la masa de microorganismos. En este modelo de crecimiento también se pueden diferenciar cuatro fases. 1. Fase de retardo. De nuevo, las bacterias precisan de cierto tiempo para aclimatarse al nuevo medio. Cuando se aborda el estudio en términos de masa de bacterias, la fase de retardo no es tan larga como en el enfoque en función del número de bacterias, debido a que la masa de bacterias empieza a aumentar antes de que se produzca la división celular. 2. Fase de crecimiento exponencial. Siempre existe una cantidad en exceso de alimento alrededor de los microorganismos; la tasa de metabolismo y crecimiento sólo es función de la capacidad de los organismos para procesar el substrato. 3. Fase de crecimiento decreciente. La tasa de crecimiento, y en consecuencia la masa de bacterias, disminuyen como consecuencia de la limitada disponibilidad de alimento. 4. Fase endógena. Los microorganismos se ven forzados a metabolizar su propio protoplasma sin reposición del mismo, ya que la concentración de alimento disponible se encuentra al mínimo. Durante esta fase, se puede presentar el fenómeno conocido con el nombre de lisis, según el cual los nutrientes que quedan en las células muertas se difunden en el medio proporcionando alimento a las células vivas existentes («crecimiento críptico»). Crecimiento en cultivos mixtos

Es importante observar que la anterior discusión se refiere a una única población de microorganismos. En general, los procesos de tratamiento biológico están compuestos por complejas poblaciones biológicas mezcladas e interrelacionadas, en las que cada microorganismo del sistema tiene su propia curva de crecimiento. La posición y forma de la curva particular de crecimiento dentro del sistema, en función del tiempo, depende del alimento y de los nutrientes disponibles, así como de factores ambientales tales como la temperatura y el pH y del carácter aerobio o anaerobio del sistema. La variación con el tiempo del predominio de microorganismos en la estabilización aerobia de un agua residual orgánica se presenta en la Figura 8-6. Si bien las bacterias son de importancia capital, existen muchos otros organismos que participan en la estabilización

del residuo orgánico. Al proyectar o analizar un proceso de tratamiento biológico, el ingeniero deberá pensar en términos de un ecosistema, o comunidad, tal como el que se muestra en la Figura 8-6, y no en una «caja negra» que sólo contenga microorganismos misteriosos.

FIGURA 8-6 Crecimiento relativo de los microorganismos en el curso de la estabilización de un residuo orgánico en un medio líquido [24].

8.5 CINÉTICA DEL CRECIMIENTO BIOLÓGICO

En este capitulo se pone especial énfasis en señalar que el proyecto de un sistema de tratamiento biológico de aguas residuales, precisa de una comunidad biológica y un medio ambiente bien controlados. Anteriormente, se han estudiado los microorganismos de importancia en el tratamiento de las aguas residuales junto con sus características metabólicas y sus formas de crecimiento. Aunque ya se han descrito las características del medio ambiente necesarias para el crecimiento, aún no se ha comentado nada acerca de cómo controlarlo. Las condiciones ambientales se pueden controlar mediante la regulación del pH, de la temperatura, la adición de nutrientes o elementos de traza, la adición o exclusión de oxigeno o, también, mediante una mezcla adecuada del medio. El control de las condiciones ambientales asegurará que los microorganismos dispongan del medio adecuado para su desarrollo. Para asegurar el crecimiento de los microorganismos, se les debe permitir un tiempo de permanencia en el sistema suficiente para que se reproduzcan. Este periodo depende de la tasa de crecimiento, la cual está directamente relacionada con la velocidad a la que metabolizan o utilizan el residuo. Suponiendo que las condiciones ambientales estén debidamente controladas, se puede asegurar una estabilización eficaz mediante el control de la tasa de crecimiento de los microorganismos. El propósito de esta sección es presentar la cinética del crecimiento biológico.

Crecimiento celular

Tanto en los sistemas de cultivo de alimentación continua como en los de alimentación discontinua, la tasa de crecimiento de las células bacterianas se puede definir mediante la siguiente expresión:

rg = µX (8.1)

donde: rg = tasa de crecimiento bacteriano, masa/volumen unitario tiempo. µ = tasa de crecimiento específico, tiempo-1. X = concentración de microorganismos, masa/volumen unitario. Dado que en los cultivos de alimentación discontinua dX/dt = rg (véase Apéndice G), la siguiente relación también es válida para este tipo de cultivos:

dX/dt = µX (8.2)

Crecimiento con limitación de substrato

En los cultivos de alimentación discontinua, si uno de los requisitos esenciales para el crecimiento (substrato o nutrientes) está presente en cantidades limitadas, será el primero en agotarse y se detendrá el crecimiento (véase Fig. 8-5). En un cultivo continuo, este hecho tendrá el efecto de limitar el crecimiento. Experimentalmente, se ha podido determinar que el efecto de disponer de cantidades limitadas de substrato o de nutrientes, a menudo, se puede definir adecuadamente mediante la siguiente expresión desarrollada por Monod [25, 26]:

µ = µm S/(Ks + S) (8.3)

donde: µ = tasa de crecimiento específico, tiempo-1. µm = máxima tasa de crecimiento específico, tiempo-1. S = concentración del substrato que limita el crecimiento, masa/unidad de volumen. Ks= constante de velocidad mitad, concentración de substrato a la mitad de la máxima tasa de crecimiento, masa/unidad de volumen. El efecto de la concentración de substrato sobre la tasa de crecimiento específico se ilustra en la Figura 8-7.

FIGURA 8-7

Gráfico representativo de los efectos de un nutriente limitante sobre la velocidad específica de crecimiento.

Si se sustituye en la Ecuación 8.1 el valor de de la Ecuación 8.3, la expresión de la tasa de crecimiento que resulta es:

rg = µmXS/(Ks + S) (8.4)

Crecimiento celular y utilización del substrato

Tanto en los sistemas de cultivo de alimentación continua como en los de alimentación discontinua, una parte del substrato se transforma en células nuevas, y otra parte se oxida y da origen a productos finales orgánicos e inorgánicos. Dado que se ha observado que la cantidad de células nuevas producidas es la misma para un substrato dado, se ha desarrollado la siguiente relación entre el grado de utilización del substrato y la tasa de crecimiento:

rg = -Yrsu (8.5)

donde: rg = tasa de crecimiento bacteriano, masa/unidad de volumen. Y = coeficiente de producción máxima medido durante cualquier período finito de la fase de crecimiento exponencial, definido como la relación entre la masa de células formadas y la masa de substrato consumido, masa/masa. rsu = tasa de utilización de substrato, masa/volumen tiempo.

Basándose en ensayos de laboratorio, se ha podido comprobar que la producción depende de: (1) el estado de oxidación de la fuente de carbono y de los elementos nutrientes; (2) del grado de polimerización del substrato; (3) de las vías de metabolismo; (4) de la tasa de crecimiento, y (5) de diversos parámetros físicos de cultivo. Si se sustituye el valor de rg de la Ecuación 8.4 en la Ecuación 8.5, el grado de utilización de substrato se puede definir como:

rsu = - µmXS/Y(Ks + S) (8.6)

En la Ecuación 8.6, el término µm/Y se sustituye por el término k, definido como la tasa máxima de utilización del substrato por unidad de masa de microorganismos:

k = µm/Y (8.7)

Si se sustituye el término k por el término µm/Y en la Ecuación 8.6, la expresión que resulta es:

rsu = - kXS/(Ks + S) (8.8)

Efectos del metabolismo endógeno

En los sistemas bacterianos que se emplean en el tratamiento biológico del agua residual, la distribución de edades de las células es tal que no todas las células del sistema están en la fase de crecimiento exponencial. Consecuentemente, la expresión de la tasa de crecimiento se debe corregir para tener en cuenta la energía necesaria para el mantenimiento celular. Otros factores, tales como la muerte y la depredación, también deben ser objeto de consideración. Generalmente, estos factores se engloban en uno único, y se supone que la disminución de la masa celular causada por ellos es proporcional a la concentración de organismos presentes. En la literatura técnica, esta disminución se identifica como descomposición endógena. El término de la descomposición endógena se puede formular de la siguiente manera:

rd (descomposición endógena) = - kdX (8.9)

donde: kd = coeficiente de descomposición endógena, tiempo-1. X = concentración de células, masa/unidad de volumen.

Cuando la Ecuación 8.9 se combina con las Ecuaciones 8.4 y 8.5, las expresiones que se obtienen para la tasa neta de crecimiento son:

r'g = (µmXS/(Ks + S)) - kdX (8.10) r'g = -Yrsu - kdX (8.11)

donde r'g = tasa neta de crecimiento bacteriano, masa unidad de volumen. La expresión correspondiente para la tasa neta de crecimiento específico viene dada por la Ecuación 8.12, que es la misma que la expresión propuesta por Van Uden [39]:

µ' = (µm S/(Ks+S)) - kd (8.12)

donde µ' = tasa neta de crecimiento específico, tiempo-1. Los efectos de la respiración endógena sobre la producción neta de bacterias se tienen en cuenta al definir una producción observada de la siguiente manera [29,39]:

Yobs = - r'g /rsu (8.13)

Efectos de la temperatura

La dependencia de la temperatura de las constantes de la velocidad de la reacción biológica es muy importante a fin de asegurar la eficacia conjunta de un proceso de tratamiento biológico. La temperatura no sólo influye en las actividades metabólicas de la población microbiana, sino que también tiene un profundo efecto sobre factores tales como la velocidad de transferencia de gases y sobre las características de sedimentación de los sólidos biológicos. El efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción de un proceso biológico se suele expresar de la siguiente manera:

rT = r20 THETA(T-20) (8.14) donde: rT = velocidad de reacción a T ºC. r20 = velocidad de reacción a 20 ºC. THETA = coeficiente de actividad-temperatura. T = temperatura, en ºC. En la Tabla 8-5 se presentan valores de típicos para los procesos biológicos más utilizados. Esos valores no se deben confundir con los propuestos en el Capítulo 3 para la determinación de la DBO.

Otras expresiones cinéticas

Al revisar las expresiones cinéticas desarrolladas para describir el crecimiento de los microorganismos y la eliminación de substrato, es importante recordar que estas expresiones son empíricas y que se usan para explicar e ilustrar los fenómenos que se producen, pero que no son las únicas expresiones existentes. Las expresiones que se incluyen a continuación, también se han venido utilizando para describir la tasa de utilización del substrato:

rsu = -k (8.15) rsu = - kS (8.16) rsu = -kXS (8.17) rsu = -kX S/So (8.18)

También se han propuesto diversas expresiones para la tasa de crecimiento específico (véase Ec. 8.3), entre las que cabe destacar las propuestas por Monod, Teissier, Contois, y Moser [26, 34].

El factor fundamental en la aplicación de cualquier expresión cinética es el análisis de un balance de masas. De este modo, mientras la expresión utilizada describa el fenómeno observado, no importa que no tenga relación alguna con las expresiones que aparecen con más frecuencia en la literatura. También es importante destacar que no es

recomendable generalizar expresiones específicas, deducidas a partir de datos o experiencias limitados, para cubrir una gran variedad de situaciones.

TABLA 8-5

Coeficientes de temperatura-actividad para diversos

procesos biológicos de tratamiento

Aplicación de la cinética del crecimiento y de la eliminación de substrato al tratamiento biológico

Antes de proceder a la descripción individual de los diferentes procesos biológicos, es necesario explicar la aplicación general de los principios cinéticos de crecimiento biológico y de eliminación de substrato. El propósito de este apartado es ilustrar: (1) el desarrollo de balances de substrato y de microorganismos, y (2) la predicción de las concentraciones de microorganismos y de substrato en el efluente. Para ello se considerará un proceso de tratamiento aerobio llevado a cabo en un reactor de mezcla completa sin recirculación (véase Fig. 8-8). El esquema es el mismo que se empleará para el proceso de fangos activados sin recirculación que se analizará en la Sección 8.7. Es interesante observar que el reactor de mezcla completa es básicamente igual que un quimiostato de los que se utilizan en los ensayos de laboratorio (véase Fig. 8-9).

FIGURA 8-8 Representación esquemática de un reactor de mezcla completa sin recirculación.

FIGURA 8-9 Esquema de un quimioestato de laboratorio típico [34].

Balances de masa de microorganismos y de substrato. Un balance de masa para la masa de microorganismos del reactor de mezcla completa de la Figura 8-8 se puede escribir de la siguiente manera: 1. Planteamiento general:

Velocidad de acumulación de microorganismos dentro de los límites del sistema = = cantidad de microorganismos que entran en el sistema - - cantidad de microorganismos que salen del sistema + + crecimiento neto de microorganismos dentro de los límites del sistema (8.19)

2. Planteamiento simplificado:

Acumulación = Entrada - Salida + Crecimiento neto (8.20)

3. Representación simbólica:

(dX/dt) Vr = QXo - QX + Vrr'g (8.21)

donde: dX/dt = tasa de crecimiento de microorganismos medida en términos de masa (sólidos en suspensión volátiles), masa de SSV/unidad de volumen tiempo. Vr = volumen del reactor. Q = caudal, volumen/tiempo. Xo = concentración de microorganismos a la entrada del reactor, masa de SSV/unidad de volumen. X = concentración de microorganismos en el efluente, masa de SSV/unidad de volumen. r'g = tasa neta de crecimiento de microorganismos, masa de SSV/ unidad de volumen · tiempo. En la Ecuación 8.21 y expresiones subsiguientes derivadas de ella, la fracción volátil del

total de sólidos biológicos en suspensión se usa como una aproximación de la masa biológica activa. Este supuesto se basa en que la fracción volátil se considera proporcional a la actividad de la masa microbiana en cuestión. A pesar de que se han empleado otras diversas medidas, tales como el contenido de nitrógeno, proteínas, ADN y ATP, se suele utilizar el contenido de sólidos en suspensión volátiles debido, fundamentalmente, a lo sencillo que resulta medirlos. Si se sustituye el valor de r'g de la Ecuación 8.10 en la Ecuación 8.21, resulta:

(dX/dt) Vr = QXo - QX + Vr ((µmXS/(Ks + S)) - kdX) (8.22)

donde S = concentración de substrato en el efluente del reactor, mg/l. Si se supone que se puede despreciar la concentración de microorganismos en el efluente, y que prevalecen las condiciones estacionarias (dX/dt = 0), la Ecuación 8.22 se puede simplificar, y se obtiene:

Q/Vr = 1/THETA = (µmS/(Ks + S)) - kd (8.23)

donde THETA = tiempo de detención hidráulica, V/Q. En la Ecuación 8.23, el término 1/THETA corresponde a la tasa neta de crecimiento específico (véase Ec. 8-12), y también se corresponde con el término l/THETAc donde es el tiempo de medio de retención celular. En el campo del tratamiento de las aguas residuales, THETAc se puede definir como la masa de organismos presentes en el reactor dividida por la masa diaria de organismos eliminados del sistema. (En la Sección 8.7 se da una segunda definición comúnmente empleada.) Para el reactor de la Figura 8-8, el valor de THETAc viene dado por la siguiente expresión:

THETAc = VrX/QX = Vr/Q (8.24)

Si se lleva a cabo un balance de substrato correspondiente al balance de masa de microorganismos de la Ecuación 8.22, se obtiene la siguiente expresión:

(dS/dt)Vr = QSo - QS + Vr (kXS/(Ks + S)) (8.25)

En condiciones estacionarias (dS/dt = 0), la ecuación que resulta es:

(So - S) - THETA (kXS/(Ks + S)) = 0 (8.26)

donde THETA = Vr/Q. Concentraciones de microorganismos y de substrato en el efluente. Las concentraciones de microorganismos y de substrato en el efluente se pueden obtener de la siguiente manera: si se resuelve la Ecuación 8.23 para el término S/(K+S), se sustituye la expresión resultante en la Ecuación 8.26 y se simplifica empleando la Ecuación 8.7, la concentración de microorganismos en el efluente, en condiciones estacionarias, viene dada por:

X = µm(So - S) / k(1+ kdTHETA) = Y(So - S)/(1- kdTHETA) (8.27)

Operando de manera análoga, la concentración de substrato en el efluente es:

S = Ks(1 + THETA kd) / (THETA(Yk - kd) - 1) (8.28)

Por lo tanto, se pueden emplear las Ecuaciones 8.27 y 8.28 para la predicción de las concentraciones de microoganismos y de substrato en el efluente si se conocen los valores de los coeficientes cinéticos (véase Fig. 8-10). Es importante tener en cuenta que las concentraciones en el efluente que se obtienen al

FIGURA 8-10 Concentración de residuo en el efluente y eficacia de eliminación respecto al tiempo medio de retención celular para un reactor de mezcla completa sin recirculación (THETA= THETAc).

aplicar las ecuaciones aquí expuestas, se basan en un residuo soluble, y no tienen en cuenta la posible presencia de sólidos en suspensión en el interior del reactor. Las concentraciones de substrato y de microorganismos presentes en los efluentes en la práctica, dependen del funcionamiento y rendimiento de los tanques de sedimentación. La producción observada, Yobs viene dada por la siguiente expresión:

Yobs = Y / (1 + kd THETA) (8.29)

La Ecuación 8.29 se obtiene sustituyendo el valor de X que proporciona la Ecuación 8.27 por el valor de r'g de la Ecuación 8.13 y dividiendo por el término (So - S), lo cual corresponde al valor de rsu expresado en unidades de concentración.

8.6 PROCESOS BIOLÓGICOS DE TRATAMIENTO

El objetivo de esta sección es introducir al lector los principales tipos de procesos de tratamiento biológicos que se han desarrollado para el tratamiento de las aguas residuales e identificar sus aplicaciones. En lo que resta del capítulo, se analizan los procesos de tratamiento biológico más comúnmente empleados para el tratamiento de las aguas residuales.

Definiciones útiles

Los términos que se definen a continuación son de gran utilidad para comprender los conceptos en los que se basa el tratamiento biológico:

Procesos aerobios. Son los procesos de tratamiento biológico que se dan en presencia de oxígeno. Procesos anaerobios. Procesos de tratamiento biológico que se dan en ausencia de oxigeno. Desnitrificación anóxica. Es el proceso por el cual el nitrógeno de los nitratos se transforma, biológicamente, en nitrógeno gas en ausencia de oxígeno. Este proceso también se conoce con el nombre de desnitrificación anaerobia. Eliminación biológica de nutrientes. Término que se aplica a la eliminación de nitrógeno y fósforo mediante procesos de tratamiento biológico. Procesos facultativos. Son los procesos de tratamiento biológico en los que los organismos responsables pueden funcionar en presencia o ausencia de oxígeno molecular. Estos organismos se conocen con el nombre de organismos facultativos. Eliminación de la DBO carbonosa. Es la conversión biológica de la materia carbonosa del agua residual en tejido celular y en diversos productos gaseosos. En la conversión, se supone que el nitrógeno presente en los diferentes compuestos se convierte en amoniaco. Nitrificación. Es el proceso biológico mediante el cual el amoniaco se transforma, primero en nitrito y posteriormente en nitrato.

Desnitrificación. Proceso biológico mediante el cual el nitrato se convierte en nitrógeno gas y en otros productos gaseosos.

Substrato. Es el término empleado para representar la materia orgánica o los nutrientes que sufren una conversión o que pueden constituir un factor limitante en el tratamiento biológico. Por ejemplo, la materia orgánica carbonosa presente en el agua residual es el substrato objeto de conversión en el tratamiento biológico. Procesos de cultivo en suspensión. Son los procesos de tratamiento biológico en los que los microorganismos responsables de la conversión de la materia orgánica u otros constituyentes del agua residual en gases y tejido celular, se mantienen en suspensión dentro del liquido. Procesos de cultivo fijo. Son los procesos de tratamiento biológico en los que los microorganismos responsables de la conversión de la materia orgánica u otros constituyentes del agua residual en gases y tejido celular están fijados a un medio inerte, tal como piedras, escorias, o materiales cerámicos y plásticos especialmente diseñados para cumplir con esta función. Los procesos de cultivo fijo también se conocen con el nombre de procesos de película fija.

Procesos de tratamiento biológico

Los principales procesos biológicos aplicados al tratamiento de las aguas residuales se recogen en la Tabla 8-6. Existen cinco grupos principales: procesos aerobios, procesos anaerobios, procesos anóxicos, procesos aerobios, anaerobios y anóxicos combinados, y los procesos de lagunaje. Los procesos individuales se pueden dividir, a su vez, dependiendo de si el tratamiento se lleva a cabo en sistemas de cultivo en suspensión, en sistemas de cultivo fijo, o en sistemas resultantes de la combinación de ambos.

Se debe hacer constar que todos los procesos biológicos que se emplean en el tratamiento del agua residual, como se muestra en la Tabla 8-6, tienen su origen en fenómenos y procesos que se producen en la naturaleza. Los ciclos aerobios y anaerobios, mostrados en las Figuras 8-11 y 8-12 respectivamente, son ejemplos típicos. La descomposición de los residuos se puede acelerar mediante el control del medio ambiente y el entorno de los microorganismos. El proceso de tratamiento biológico consiste en el control del medio ambiente de los microorganismos, de modo que se consigan condiciones de crecimiento óptimas.

Aplicación de los procesos de tratamiento biológico

Las principales aplicaciones de estos procesos, también indicadas en la Tabla 8-6, son: (1) la eliminación de la materia orgánica carbonosa del agua residual, normalmente medida como DBO, carbono orgánico total (COT), o demanda química de oxigeno (DQO); (2) nitrificación; (3) desnitrificación; (4) eliminación de fósforo, y (5) estabilización de fangos. En lo que resta de este capítulo se pondrá especial énfasis en la eliminación de la materia carbonosa, ya sea mediante procesos aerobios o anaerobios. La nitrificación, la desnitrificación y la eliminación del fósforo son objeto de un estudio más profundo en el Capitulo 11, mientras que la estabilización de fangos se aborda en el Capitulo 12.

TABLA 8-6 Principales procesos biológicos utilizados en el tratamiento del agua residual

a La principal aplicación se presenta en primer lugar, entre paréntesis se expones otros usos.

FIGURA 8-11 El ciclo aerobio en la naturaleza

FIGURA 8-12 El ciclo anaerobio en la naturaleza

8.7 PROCESOS DE TRATAMIENTO AEROBIO DE CULTIVO EN SUSPENSIÓN Los principales procesos de tratamiento biológico de cultivo en suspensión empleados para la eliminación de la materia orgánica carbonosa son: (1) el proceso de fangos activados; (2) las lagunas aireadas; (3) el reactor de flujo discontinuo secuencial, y (4) el proceso de digestión aerobia. De todos ellos, el proceso de fangos activados es, con mucho, el más ampliamente empleado en el tratamiento secundario de las aguas residuales domésticas, razón por la cual en esta sección se prestará especial atención a su estudio. En la Sección 8.11, que trata la eliminación biológica de nutrientes, se estudiará la nitrificación con cultivo en suspensión.

Proceso de fangos activados

Este proceso fue desarrollado en Inglaterra en 1914 por Ardern y Lockett [3], y su nombre proviene de la producción de una masa activada de microorganismos capaz de estabilizar un residuo por vía aerobia. En la actualidad, existen muchas versiones del proceso original, pero son todas fundamentalmente iguales. El sistema que se ilustra en la Figura 8-13 es el sistema de fangos activados con reactor de mezcla completa. En la Tabla 8-10 se citan otros sistemas de fangos activados cuyo estudio se aborda en el Capitulo 10.

Descripción del proceso. Desde el punto de vista del funcionamiento, el tratamiento biológico de aguas residuales mediante el proceso de fangos activados se suele llevar a cabo utilizando un diagrama de flujo como el de la Figura 8-13. El residuo orgánico se introduce en un reactor, donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. El contenido del reactor se conoce con el nombre de «liquido mezcla». En el reactor, el cultivo bacteriano lleva a cabo la conversión en concordancia general con la estequiometria de las Ecuaciones 8.30 y 8.31.

Oxidación y síntesis:

bacterias COHNS + O2 + nutrientes ------> CO2 + NH3 + C5H7NO2 + otros productos finales (8.30) (materia organica) (nuevas celulas bacterias) Resp n bacterias

iración e dógena:

C5H7NO2 + 5 O2 -----> 5 CO2 + 2 H2O + NH3 + energía (8.31) (celulas) 113 160 1 1,42 En estas ecuaciones, COHNS representa la materia orgánica del agua residual. A pesar de que la reacción de la respiración endógena conduce a la formación de productos finales relativamente sencillos y al desprendimiento de energía, también se forman algunos productos orgánicos estables. A partir de la Ecuación 8.31 se puede observar que si todas las células se oxidan por completo, la DBO última de las células equivale a 1,42 veces el valor de la concentración de células.

FIGURA 8-13 Esquema de un reactor de mezcla completa con recirculación celular y purga: (a) desde el reactor, y (b) desde la línea de recirculación. El ambiente aerobio en el reactor se consigue mediante el uso de difusores o de

aireadores mecánicos, que también sirven para mantener el liquido mezcla en estado de mezcla completa. Al cabo de un periodo determinado de tiempo, la mezcla de las nuevas células con las viejas se conduce hasta un tanque de sedimentación para su separación del agua residual tratada. Una parte de las células sedimentadas se recircula para mantener en el reactor la concentración de células deseada, mientras que la otra parte se purga del sistema (véase Fig. 8-13b). La fracción purgada corresponde al crecimiento de tejido celular r'g (véase Ec. 8.11), asociado a un agua residual determinada. El nivel al que se debe mantener la masa biológica depende de la eficacia deseada en el tratamiento y de otras consideraciones relacionadas con la cinética del crecimiento. En la Tabla 10-5 del Capitulo 10 se citan las concentraciones de microorganismos mantenidas en varios sistemas de tratamiento de fangos activados. Microbiología del proceso. Para proyectar un sistema de fangos activados correctamente y con las debidas garantías de buen funcionamiento. es necesario comprender la importancia de los microorganismos dentro del sistema. En la naturaleza, el papel clave de las bacterias es descomponer la materia orgánica producida por otros organismos vivos. En el proceso de fangos activados, las bacterias son los microorganismos más importantes, ya que son los causantes de la descomposición de la materia orgánica del afluente. En el reactor, o tanque de aireación, las bacterias aerobias o facultativas utilizan parte de la materia orgánica del agua residual con el fin de obtener energía para la síntesis del resto de la materia orgánica en forma de células nuevas, como se muestra en la Figura 8-1. En realidad, sólo una parte del residuo original se oxida a compuestos de bajo contenido energético tales como el NO3-, el SO4-2 O el CO2; el resto se sintetiza en forma de materia celular. Los productos intermedios que se forman antes de producirse los productos finales de oxidación son muy diversos, algunos de los cuales se muestran en el término de la derecha de la Ecuación 8.30. En general, las bacterias que intervienen en el proceso de fangos activados incluyen los géneros Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium, y las dos bacterias nitrificantes más comunes, los Nitrosomas y las Nitrobacter [13,14]. Adicionalmente, se pueden presentar diversas formas filamentosas tales como la Sphaerotilus, Begiatoa, Thiothrix, Lecicothrix,y Geotrichum [13, 14]. En tanto que las bacterias son los microorganismos que realmente degradan el residuo orgánico del afluente, las actividades metabólicas de otros microorganismos son, igualmente, importantes en el sistema de fangos activados. Por ejemplo, los protozoos y rotíferos ejercen una acción de refino de los efluentes. Los protozoos consumen las bacterias dispersas que no han floculado y los rotíferos consumen cualquier partícula biológica pequeña que no haya sedimentado. Por otro lado, del mismo modo que es importante que las bacterias descompongan el residuo orgánico tan pronto como sea posible, también lo es el que formen un flóculo adecuado, puesto que este punto constituye un requisito previo para la separación de los sólidos biológicos en la instalación de sedimentación. Se ha observado que cuando se aumenta el tiempo medio de retención celular mejoran las características de sedimentación del flóculo biológico. En el caso de aguas residuales domésticas, los tiempos medios de retención celular necesarios para conseguir una buena sedimentación oscilan entre 3 y 4 días. En la Tabla 10-5 se indican unos valores típicos de los tiempos medios de retención celular empleados en el proyecto y funcionamiento de diversos procesos de fangos activados. Aunque se obtenga una excelente formación de flóculos, el efluente del sistema podría tener un alto contenido de sólidos biológicos, como consecuencia de un mal diseño de la unidad de sedimentación secundaria, mal funcionamiento de los dispositivos de

aireación, o por la presencia de organismos filamentosos como el Spbaerotilus, los E. coli u hongos [14, 17, 42]. Estos temas se tratarán más adelante en este capitulo, y se analizan con mayor profundidad en el Capitulo 10.

Análisis del proceso: Reactor de mezcla completa con recirculación. En el sistema de mezcla completa, que se ilustra de forma esquemática en la Figura 8-13 y en la fotografía de la Figura 8-14, el liquido del reactor se mezcla completamente, y se supone que el contenido de microorganismos en el agua que entra al reactor es nulo. Como se muestra en la Figura 8-13, la unidad de separación de sólidos (tanque de sedimentación) en la que se separan las células del reactor para su posterior recirculación, es una parte integral del proceso de fangos activados. Debido a la presencia de esta unidad de separación de sólidos, la elaboración de un modelo cinético para describir este sistema precisa de dos hipótesis adicionales: 1. La estabilización de los residuos por parte de los microorganismos se produce únicamente en el reactor. Esta hipótesis conduce a un modelo conservativo (en algunos sistemas se puede producir cierto grado de estabilización de los residuos en la unidad de sedimentación). 2. El volumen utilizado al calcular el tiempo medio de retención celular del sistema sólo incluye el volumen del reactor.

FIGURA 8-14 Reactor típico de mezcla completa con aireador de superficie.

En efecto, se supone que el tanque de sedimentación sirve como depósito desde el que se recirculan los sólidos para mantener un nivel determinado de éstos en el tanque de aireación. Si el sistema es tal que no se cumplen estas hipótesis, es necesario introducir modificaciones en el modelo propuesto. Por ejemplo, en sistemas de fangos activados con oxígeno puro, se ha demostrado que más del 50 por 100 de los sólidos totales del sistema pueden estar presentes en el tanque de sedimentación secundaria. Este tema se considera con mayor profundidad y detalle, tanto en la discusión que sigue como en el Capítulo 10. El tiempo medio de retención hidráulica del sistema, THETAs se define como:

THETAs = VT/Q = (Vr + Vs) / Q (8.32)

donde: VT = volumen del reactor + volumen del tanque de sedimentación. Q = caudal afluente. Vr = volumen del reactor. Vs = volumen del tanque de sedimentación. El tiempo medio de retención hidráulica del reactor, THETA, se define como:

THETA = Vr / Q (8.33)

donde Vt = es el volumen del reactor. Para el sistema de la Figura 8-13u, el tiempo medio de retención celular Q, definido como la masa de microorganismos del reactor dividida por la masa diaria de microorganismos purgada del sistema, viene dado por la siguiente expresión:

THETAc = VrX/(QwX + QeXe) (8.34)

donde: Qw = caudal del líquido que contiene las células biológicas que hay que purgar del sistema (en este caso, del reactor). Qe = caudal de líquido efluente de la unidad de separación. Xe = concentración de microorganismos en el efluente de la unidad de separación de sólidos. Para el sistema de la Figura 8-13b, el tiempo medio de retención celular viene dado por la siguiente expresión:

THETAc = VrX/(Q'wX + QeXe) (8.35)

donde: Xr = concentración de microorganismos en la línea de recirculación de fangos. Q'w = tasa de purga de células desde el caudal de recirculación. Es conveniente hacer mención del hecho de que, a menudo, en la literatura referente a este tema, el valor de THETAc se suele calcular considerando la masa total de microorganismos contenidos, tanto en el reactor como en el tanque de sedimentación. Ambos métodos son aceptables, mientras se especifique con elaridad las bases de cálculo empleadas. Comparando la Ecuación 8.34 o la 8.35 con las Ecuaciones 8.32 y 8.33, se puede apreciar que para un volumen dado del reactor, el valor de THETAc es independiente tanto de THETA como de THETAs. Sin embargo, en la práctica, THETAc no puede ser totalmente independiente de los valores de THETA y THETAs. Los factores que relacionan THETAc con THETA y THETAs se tratarán más adelante. En relación con la Figura 8-13a, se puede escribir un balance de masas para los microorganismos del sistema global de la siguiente manera: 1. Planteamiento general:

Velocidad de acumulación de microorganismos dentro de los límites del sistema = = Cantidad de microorganismos que entran en el sistema - - Cantidad de microorganimos que salen del sistema + + Crecimiento neto de microorganismos dentro de los limites del sitema (8.36)

2. Planteamiento simplificado:

Acumulación = Entrada - Salida + Crecimiento neto (8.37)

3. Representación simbólica:

(dX/dt) Vr = QXo - [QwX + QeXe] + Vr(r'g) (8.38)

Sustituyendo la Ecuación 8.11 por la tasa de crecimiento y suponiendo que la concentración de células en el afluente es nula y que prevalecen condiciones estacionarias (dX/dt = 0), se obtiene:

(QwX + QeXe)/VrX = -Y rsu/X - kd (8.39)

El término de la izquierda de la Ecuación 8.39 representa el inverso del tiempo medio de retención celular definido anteriormente (véase Ec. 8.34). Empleando la Ecuación 8.35, la Ecuación 8.39 se puede simplificar y reordenar para obtener:

1/THETAc= -Y rsu/X - kd (8.40)

El término rsu se determina por medio de la siguiente expresión:

rsu = -Q/Vr (So - S) = - (So - S)/THETA (8.41)

donde: (So - S) = cantidad de substrato utilizada, mg/l. So = concentración de substrato en el afluente, mg/l. S = concentración de substrato en el efluente, mg/l. THETA = tiempo de detención hidráulica, d. La concentración de microorganismos en el reactor, X, se puede obtener sustituyendo la Ecuación 8.41 en la 8.40 y despejando el valor de X:

X = (THETAc/THETA) · Y(So -S)/(1+kd THETAc) (8.42)

Haciendo un balance del substrato, se obtiene que la concentración de substrato en el efluente es:

S = Ks(1+THETAc kd)/(THETAc(Yk -kd) - 1) (8.43)

Es conveniente resaltar la igualdad existente entre la Ecuación 8.43 y la Ecuación 8.28, que se desarrolló para un reactor de mezela completa sin recirculación. La ecuación correspondiente para la producción observada en un sistema con recirculación es la misma que la Ecuación 8.29, sustituyendo THETA por THETAc o THETAct como se muestra a continuación:

Yobs = Y/(1+kd THETAc o THETAct) (8.44)

Relaciones para el diseño y control del proceso. A pesar de que las Ecuaciones 8.42 y 8.43 pueden ser útiles para predecir los efectos de los diferentes cambios que puedan producirse en el sistema, presentan cierta dificultad para su aplicación para el diseño debido a la cantidad de constantes incluidas en las mismas. Por esta razón se han desarrollado relaciones más prácticas para el diseño del proceso. Las relaciones que hay que considerar en esta discusión incluyen la tasa de utilización específica, el tiempo medio de retención celular, y la relación alimento-microorganismos. La relación entre la tasa de utilización específica y el tiempo medio de retención celular es, asimismo, analizada. En la Ecuación 8.40, el término (- rsu/X) se conoce como la tasa de utilización específica del substrato, U. Empleando la definición de rsu dada en la Ecuación 8.41, la tasa de utilización específica se puede calcular de la siguiente manera:

U = -rsu / X = (So - S)/THETA · X = (Q/Vr) ((So - S) / X) (8.45)

Si se sustituye el término U por (rsu/X) en la Ecuación 8.35, la ecuación que resulta es:

1/THETAc = YU - kd (8.46)

De la Ecuación 8.46 se puede observar que 1/THETAc, la tasa neta de crecimiento específico, y U, la tasa de utilización específica, están directamente relacionadas. Para determinar la tasa de utilización específica, U, es necesario conocer el substrato utilizado y la masa de microorganismos que interviene en esta utilización. El substrato utilizado se puede obtener como la diferencia entre la DQO o la DBO5 a la entrada y a la salida del sistema. La dificultad de la evaluación de la masa activa de microorganismos es el principal problema, y es la razón que suele hacer poco práctico el uso del parámetro U como parámetro de control. Si se emplea el valor de THETAc como parámetro de control del tratamiento, no es necesario determinar la cantidad sólidos biológicos activos contenidos en el sistema, ni evaluar la cantidad de alimento utilizado. El uso de THETAc se basa, simplemente, en el hecho de que, para controlar la tasa de crecimiento y por lo tanto el grado de estabilización del residuo, es necesario purgar cada día un porcentaje determinado de la masa celular del sistema. Por lo tanto, si para alcanzar un determinado nivel de tratamiento se necesita un valor de 10 días, ello implica que cada día es necesario purgar el 10 por 100 de la masa celular de todo el sistema. En el sistema de mezela completa con recirculación, la purga de las células se puede realizar en el conducto de recirculación al reactor o, directamente, del líquido mezela. Si se hace directamente en el reactor y se considera que la concentración de sólidos en el efluente es despreciable, sólo es necesario conocer los valores de Qw y Vr para determinar el valor de THETAc mediante la Ecuación 8.34. Por lo tanto, la purga de células, mediante este procedimiento, proporciona un método directo para la medida y el control de THETAc. En la práctica, para obtener un fango más concentrado, lo que se hace es purgar fango desde el conducto de recirculación. Suponiendo que el valor de Xc sea muy pequeño, la Ecuación 8.35 se puede reescribir en la forma:

THETAc = VrX / Q'wXr (8.47)

Por lo tanto, la purga desde el conducto de recirculación precisa el conocimiento de la concentración de microorganismos, tanto en el líquido mezcla como en el fango de recirculación. Un término que está íntimamente ligado a la tasa de utilización específica, U, y que se usa habitualmente en la práctica como parámetro de diseño y de control es la relación alimento-microorganismos (F/M), que se define como:

F/M = So /(THETA X) (8.48)

Los términos U y (F/M) están relacionados por el rendimiento del proceso en la forma:

U = (F/M) E/100 (8.49)

donde E es el rendimiento del proceso, cuya definición es la siguiente:

E = ((So - S)/So) · 100 (8.50)

donde: E = rendimiento del proceso, porcentaje. So = concentración de substrato en el afluente. S = concentración de substrato en el efluente. La aplicación de estas relaciones al diseño de los procesos se ilustra en el Ejemplo 8-1. Ejemplo 8-1. Análisis del proceso de fangos activados. Se desea tratar un residuo orgánico con una DBO5 soluble de 250 mg/l mediante un proceso de fangos activados de mezcla completa. La DBO5 del efluente debe ser inferior a 20 mg/l. Supóngase que la temperatura es de 20ºC, el caudal es de 0,25 m3/s, y que son de aplicación las siguientes condiciones: 1. Los sólidos suspendidos volátiles del afluente al reactor son despreciables. 2. Concentración del fango de retorno = 10.000 mg/l de sólidos en suspensión = 8.000 mg/l de sólidos suspendidos volátiles. 3. Sólidos suspendidos volátiles en el líquido mezcla (SSVLM) = 3.500 mg/l = 0,8 · SSLM totales. 4. Tiempo medio de retención celular: THETAc = 10 días. 5. Régimen hidráulico del reactor = mezela completa. 6. Coeficientes cinéticos, Y = 0,65, (kilos de célula)/(kilos DBO5 utilizada) = 0,06 d-1. 7. Se estima que el efluente contendrá alrededor de 20 mg/l de sólidos biológicos, de los que un 80 por 100 son volátiles y un 65 por 100 son biodegradables. Supóngase que la DBO5 de los sólidos biológicos biodegradables se puede obtener multiplicando la DBO última por el factor 0,68 [e.d. el valor de K en la ecuación de la DBO es K = 0,1 d-1 (base 10)]. 8. El agua residual contiene nitrógeno, fósforo y otros nutrientes a nivel de trazas en cantidades suficientes para el crecimiento biológico. Solución 1. Estimar la DBO5 soluble del efluente: DBO5 del efluente = DBO5 soluble del afluente que escapa al tratamiento + DBO5 de los

sólidos en suspensión del afluente 20 = S + 20(0,65)(1,42)(0,68) S = 7,4 mg/l de DBO5 soluble La eficacia del tratamiento biológico, analizada en términos de DBO5, es:

Es = ((250 - 7,4)/250) · (100) = 97 %

La eficacia conjunta de la planta es

Econjunta = ((250 - 20)/250) · (100) = 92 %

2. Calcular el volumen del reactor. El volumen del reactor se puede determinar empleando la Ecuación 8.42 sustituyendo V/Q por THETA y reordenando la ecuación de la siguiente manera:

XV = YQTHETAc(So - S) / (1+kd · THETAc) 3.500 mg/l (V m3/d)= 0,65(21.600 m3/d) (10 d)(250 mg/l - 7,4 mg/l) / (1+(0,06/d)(10d)) V = 6.082,3 m3

3. Calcular la masa de fango producido a) La producción observada es:

Yobs = Y / (1 + kd THETAc) = 0,65 / (1+0,06(10)) = 0,406

h) La producción de biomasa es: Producción de biomasa,

kg SSV/dia = Y mg/mg [(So - S) mg/l] [Q m3/s] [86400 s/d] [1/1000 kg/g] = (0,406) (250 - 7,4) (0,25) (86.400) (l/l.000) = 2.127 kg SS/d

4. Cálculo de la biomasa purgada, tanto si se purga del reactor (Fig. 8-13a) como si se purga de la conducción de recirculación (Fig. 8-13b). Es necesario tener en cuenta los sólidos que se pierden en el efluente de la planta (véase el comentario que figura al final del problema). Supóngase también que Qe = Q y que los SSV en el efluente son 16 mg/l (0,80 · 20 mg/l). a) Determinar el caudal purgado desde el reactor empleando la Ecuación 8.34:

THETAc = VrX/(QwX + QeXe) 10 = (6.082,3 m3)(3.500 mg/l)/((Qw m3/d)(3.500 mg/l) + (21.600 m3 d)(16 mg/l)) Qw= 509 m3

b) Caudal purgado desde la conducción de retorno:

THETAc = VrX / (Q'wXr + QeXe) 10 = (6.082,3)(3.500mg/l) / ((Qw m3/d)(8.000mg/l) + (21,60 m3/d)(16 mg/l)) Qw = 222,9 m3/d

Nótese que en ambos casos, el peso del fango purgado es el mismo (2.127 kg de SSV/d), y que ambos métodos de purga proporcionan un valor de 10 días.

5. Calcular la relación de recirculación haciendo un balance de masa respecto al reactor despreciando los sólidos suspendidos del afluente:

Concentración de SSV en el aireador = 3.500 mg/l Concentración de SSV en el retorno = 8.000 mg/l

3.500(Q + Qr) = 8.000(Qr) Qr/Q = R = 0,78

6. Calcular el tiempo de detención hidráulica del reactor:

TRH = V / Q = 6.082,3 m3 / 21.600 m3/d = 0,28 d = 6,7 hr

7. Comprobar la tasa de utilización específica de substrato y el factor de carga volumétrica: a) La tasa de utilización específica es:

U = (So - S)/(THETA X) = (250 - 7,4 mg/l)/0,28 d(3.500 mg/l) = 0,25 (mg DBO5 utilizados) / (mg SSVLM · d)

b) La relación F/M es:

F/M = So/(THETA X) = 250/0,28 d(3.500 mg/l) = 0,255 (mg DBO5 aplicada) / (mg SSVLM · d)

c) La carga volumétrica, expresada como kg DBO5/m3 es:

CV = (So mg/l)(Q m3/d)(1/106 kg/mg)(1.000 1/m3) / (Vm3) =250(21.600)(1/l.000)/6.082,3 = 0,887 kg DBO5 aplicada/m3

Comentario. Si no se tiene en cuenta los sólidos del efluente en el momento de calcular el caudal purgado, el valor real del tiempo medio de retención será inferior al valor de proyecto. En este ejemplo, si se despreciaran los sólidos volátiles del efluente, el tiempo medio de retención celular rondaría los 8,5 días. Eficacia y estabilidad del proceso. En este apartado se estudiarán en mayor profundidad los efectos de la cinética, comentados anteriormente, sobre la eficacia y

estabilidad del sistema ilustrado en la Figura 8-13. Como se vio en la Ecuación 8.46, la tasa de crecimiento neta de microorganismos, 1/THETAc , estaba directamente relacionada con U, la tasa de utilización específica. Combinando las Ecuaciones 8.45 y 8.26, se puede ver que:

U = kS/(Ks + S) (8.51)

relación a partir de la cual se puede obtener la siguiente ecuación:

S = UKs / (k - U) (8.52)

Para un efluente y comunidad biológica dados, y para un conjunto determinado de condiciones ambientales, quedan fijados los valores de los coeficientes Y, k, Ks y kd. (Es importante hacer mención del hecho de que la gran variabilidad que presenta la composición de las aguas residuales domésticas puede invalidar su tratamiento como un único tipo de residuo a la hora de evaluar los coeficientes cinéticos). Para valores determinados de estos coeficientes, la concentración de residuo en el efluente del reactor es función directa de THETAc o de U, como muestra la Ecuación 8.51. Fijando el valor de uno de estos tres parámetros, no sólo se fija el valor de los otros dos, sino que también se determina la eficacia y el rendimiento del proceso biológico de estabilización de los residuos. La Figura 8-15 ilustra las representaciones gráficas de las Ecuaciones 8.42 y 8.43 para un sistema de mezcla completa con recirculación con un crecimiento específico determinado. Como se puede ver, la concentración del efluente y el rendimiento del proceso están directamente relacionados con el valor de THETAc. A partir de la Figura 8-15, también se puede apreciar que existe un cierto valor de THETAc por debajo del cual no se produce estabilización alguna del residuo. Este valor crítico de THETAc se conoce con el nombre de tiempo medio de retención celular mínimo THETAcm. Físicamente, THETAcm es el tiempo de retención para el cual las células se extraen o son eliminadas del sistema por arrastre antes de que se puedan reproducir. El tiempo medio de retención mínimo se puede calcular mediante la Ecuación 8.53, obtenida a partir de las Ecuaciones 8.39, 8.6 y 8.7.

FIGURA 8-15 Concentración de residuo en el efluente y eficacia de eliminación respecto al tiempo medio de retención celular para reactores de mezcla completa y de flujo en pistón con recirculación.

Es conveniente mencionar el hecho de que cuando se produce una eliminación por arrastre de las células, coinciden las concentraciones del afluente, So, y del efluente, S.

1/THETAcm = Y (kSo / (Ks + So)) - kd (8.53)

En el tratamiento de aguas residuales, los casos en los que So es mucho mayor que Ks son muy abundantes, de modo que se puede reescribir la Ecuación 8.46 para obtener:

1/THETAcm = Yk - kd (8.54)

Las Ecuaciones 8.53 y 8.54 se pueden emplear para determinar el tiempo medio de retención celular mínimo, THETAcm. Los valores típicos de los coeficientes cinéticos que se pueden emplear para determinar el valor de THETAcm se muestran en la Tabla 8-7. Evidentemente, los sistemas de tratamiento biológico no se deben proyectar con valores de iguales a THETAcm. Para asegurar un tratamiento adecuado, los sistemas de tratamiento biológico se suelen proyectar y hacer funcionar con valores de 2 a 20 veces THETAcm. En efecto, la relación entre THETAc y THETAcm se puede considerar como un factor de seguridad del proceso FS [19].

FS = THETAc/THETAcm (8.55)

Flujo en pistón con recirculación. El sistema de flujo en pistón con recirculación celular, mostrado de forma esquemática en la Figura 8-16 y en la fotografía de la Figura 8-17, se puede emplear para modelar ciertas formas del proceso de fangos activados. La característica que distingue este sistema con recirculación es que el régimen hidráulico del reactor es del tipo de flujo en pistón. En un modelo de flujo en pistón verdadero, todas las partículas que entran en el reactor permanecen en el interior del mismo durante idéntico periodo de tiempo. Debido a la recirculación, algunas partículas pueden pasar por el reactor en más de una ocasión, pero mientras están en el interior del tanque, todas permanecen el mismo tiempo.

FIGURA 8-16 Reactor de flujo en pistón con recirculación celular.

FIGURA 8-17 Reactores de flujo continuo típicos: (a) con difusores de burbuja fina, y (b) con difusores de burbuja gruesa.

Un modelo cinético del sistema de flujo en pistón es matemáticamente difícil de obtener, pero Lawrence y McCarty [18] hicieron dos hipótesis simplificativas que conducen a un modelo cinético útil para describir el funcionamiento de un reactor de flujo en pistón: 1. La concentración de microorganismos en el afluente al reactor es aproximadamente la misma que la del efluente del mismo. Esta hipótesis se aplica sólo en los casos en los que THETAc/THETA > 5. La concentración media de microorganismos en el reactor que resulta se simboliza con X. 2. La tasa de utilización del substrato, al pasar el residuo a través del reactor, viene dada por la siguiente expresión:

rsu = -(kSX/(Ks + S)) (8.56)

Integrando la Ecuación 8.56 sobre el tiempo de retención del residuo en el tanque, y simplificando, la expresión que resulta es la siguiente:

1/THETAc = (Yk(So - S) / ((So - S) + (1 + alfa)Ks ln (Si/S))) - kd (8.57)

donde: So = concentración del afluente. S = concentración del efluente. Si = concentración del afluente al reactor tras la mezcla con el caudal de recirculación

=(So + alfa ·S) / (1 + alfa)

alfa = relación de recirculación. Los demás términos ya se han definido anteriormente. La Ecuación 8.57 es muy parecida a la Ecuación 8.40, que se aplica a sistemas de mezcla completa, con o sin recirculación. La principal diferencia entre ambas ecuaciones es que en la Ecuación 8.57, THETAc también es función de la concentración de residuo en el efluente. El sistema de flujo en pistón con recirculación puro, es teóricamente más eficaz en la estabilización de la mayoría de los residuos solubles que el sistema de mezcla completa con recirculación, tal como se puede apreciar en la Figura 8-15. En la práctica, es difícil conseguir un régimen de flujo en pistón puro debido a la dispersión longitudinal. Esta dificultad, junto con el hecho de que el sistema de flujo en pistón no puede soportar elevadas cargas instantáneas de la misma manera que el sistema de mezcla completa, tiende a reducir las diferencias entre los rendimientos de ambos modelos. Se ha podido comprobar que, al dividir el tanque de aireación en una serie de reactores en serie, se puede mejorar la eficacia del tratamiento sin que ello suponga una disminución de la capacidad del sistema para soportar elevadas cargas instantáneas. La elección de los diferentes tipos de reactores se analiza con mayor detalle en el Capítulo 10.

Instalaciones de sedimentación para el proceso de fangos activados. Es importante volver a destacar y recordar que el tanque de sedimentación es un elemento integral del proceso de tratamiento de fangos activados. No se puede considerar el diseño de un reactor independientemente del de las instalaciones de sedimentación asociadas. Para cumplir con las normativas de vertido en cuanto a sólidos en suspensión y DBO asociados a los sólidos en suspensión volátiles del efluente, y para mantener THETAc independiente de THETA, es necesario tener la posibilidad de separar los sólidos del líquido mezcla y recircular parte de ellos al reactor. Dado que la microbiología del proceso es variable, se ha comprobado que las características de sedimentación de los sólidos biológicos del liquido mezcla son diferentes para cada planta, en función de las características del agua residual y de las numerosas variables asociadas al diseño y operación del proceso. Por ello, cuando se proyectan instalaciones de sedimentación para una planta de tratamiento, tanto nueva como ya existente, se deben realizar ensayos de sedimentación en columna, y el proyecto deberá basarse en los resultados de los mismos. Si no es posible realizar ensayos de sedimentación, el proyecto deberá realizarse en función de las cargas hidráulica y de sólidos. Ambos procedimientos se consideran con mayor profundidad en el Capitulo 10.

El abultamiento del fango en el proceso de fangos activados (Bulking). El término «bulking» se aplica a la condición en la que se da una superabundancia de organismos filamentosos en el liquido mezcla de un proceso de fangos activados (véase Fig. 8-18). La presencia de organismos filamentosos provoca que los flóculos biológicos del reactor sean voluminosos y poco consistentes. Los flóculos así formados no sedimentan bien, y suelen ser arrastrados, en grandes cantidades, en el efluente de los tanques de sedimentación. Los organismos filamentosos que se presentan en el proceso de fangos activados incluyen una variedad de bacterias filamentosas, actinomicetos y hongos [17,42]. Las condiciones que favorecen el crecimiento de los organismos filamentosos son muy diversas, y varían para cada planta. El control de los organismos filamentosos se ha conseguido de diferentes maneras, ya sea por adición de cloro o de peróxido de hidrógeno al fango activado de retorno, por alteración de la concentración de oxigeno disuelto en el tanque de aireación, por alteración de los puntos de alimentación del agua a tratar para incrementar el valor de la relación F/M, mediante la adición de nutrientes básicos (p.e. nitrógeno y fósforo), adición de nutrientes y factores de crecimiento de traza o, más recientemente, mediante el uso de selectores [2, 17, 42, 44]. El control del crecimiento de los organismos filamentosos en procesos de mezcla completa se ha conseguido mezclando el fango de retorno con el agua residual entrante en un pequeño tanque de contacto anóxico conocido con el nombre de «selector» [2,17]. A partir de la experiencia práctica, se ha podido comprobar que el liquido mezcla de los procesos de fangos activados con flujo en pistón sedimenta mejor que el procedente de los procesos de mezcla completa, y que tiende a tener menos organismos filamentosos. Asimismo, se ha podido apreciar que también sedimenta mejor el liquido procedente de reactores discontinuos secuenciales y fondo oscuro, y (f) filamentos de Thiothrix, 400 aumento y fondo oscuro. A partir de la experiencia práctica, se ha podido comprobar que el líquido mezcla de los procesos de fangos activados con flujo en pistón sedimenta mejor que el procedente de los procesos de mezcla completa, y que tiende a tener menos organismos filamentosos. Asimismo, she podido apreciar que también sedimenta mejor el líquido procedente de reactores discontinuos secuenciales (véase el siguiente apartado). Experimentalmente, como muestra la Figura 8-19, se ha podido comprobar que la abundancia relativa de organismos filamentosos y no filamentosos está relacionada con sus tasas de crecimiento cuando se exponen a diferentes concentraciones de substratos (e.d. concentraciones elevadas en el proceso con flujo en pistón, y bajas en el proceso de mezcla completa). En relación con la Figura 8-19, se puede concluir que los organismos no filamentosos que forman flóculos presentan un valor de µmáx elevado pero una baja afinidad al substrato (Ks alta), mientras que los filamentosos tienen un valor µmáx de bajo y una alta afinidad por el substrato (Ks baja). Por lo tanto, las bajas concentraciones de substrato que se presentan en los reactores de mezcla completa favorecen el crecimiento de los organismos filamentosos. Para mayores detalles sobre el uso de selectores en el proceso de fangos activados, consúltese la referencia bibliográfica [17] Por otra parte, el diseño de selectores se aborda en el Capítulo 10.

FIGURA 8-18 Organismos filamentosos típicos presentes en el fango abultado: (a y b) 100 aumentos; (c) 400 aumentos; (d y e) filamentos de Sphaerotilus, 400 aumentos

FIGURA 8-19 Curvas de crecimiento típico para organismos filamentosos y no filamentosos.

Lagunas aireadas Las lagunas aireadas (a veces denominadas «estanques aireados»), se desarrollaron a partir de estanques de estabilización facultativos en los que se instalaron aireadores de superficie para eliminar los olores que se producían al estar sometidas a sobrecargas orgánicas (véase Fig. 8-20). Aunque en la literatura se pueden encontrar diversas definiciones de los procesos de lagunas aireadas, en este texto se utilizará la siguiente descripción de estos procesos.

FIGURA 8-20 Laguna aireada típica.

Descripción del proceso. El proceso del lagunaje aireado es esencialmente el mismo que el de fangos activados de aireación prolongada convencional (THETAc = 20 días),

excepto que se usa como reactor un depósito excavado en el terreno. El oxígeno necesario en el proceso se suministra mediante difusores o aireadores superficiales. En una laguna aerobia, la totalidad de los sólidos se mantienen en suspensión. En el pasado, las lagunas aireadas se operaban como los sistemas de fangos activados sin recirculación, y solían ir seguidas de grandes estanques de sedimentación. Para conseguir los niveles de tratamiento secundario que especifica la U.S. Environmental Protection Agency (véase Tabla 4-1), en la actualidad, se utilizan muchas lagunas aireadas complementadas con instalaciones de sedimentación e incorporando recirculación de sólidos biológicos.

Microbiología del proceso. Dado que el proceso de lagunaje aireado es, esencialmente, el mismo que el de fangos activados, la microbiología es también similar. Existen algunas diferencias, puesto que la gran superficie asociada a las lagunas aireadas puede dar lugar a efectos térmicos más señalados de lo que es normal en el proceso convencional de fangos activados.

En los sistemas de lagunas aireadas es posible llevar a cabo el proceso de nitrificación, tanto de forma estacional como en continuo. El grado de nitrificación depende del diseño y de las condiciones de funcionamiento del sistema, así como de la temperatura del agua residual. Generalmente, cuanto más alta sea la temperatura de ésta y cuanto menores las cargas (aumento del tiempo de retención del fango), mayor será el grado de nitrificación alcanzable.

Análisis del proceso. El análisis de una laguna aireada se puede llevar a cabo utilizando la técnica descrita en la Sección 8.5 para un sistema aerobio de mezcla completa sin recirculación, o bien el procedimiento descrito anteriormente en esta sección para un proceso de fangos activados con recirculación, dependiendo del método de funcionamiento utilizado.

Otro enfoque diferente consiste en suponer que la eliminación de la DBO5, tanto la total asociada a la fracción soluble y a los sólidos en suspensión como solamente la soluble, se pueden describir en términos de una función de primer orden (rsu = - k · S) o de cuasi segundo orden (rsu = - k · S · X). El análisis de un reactor de mezcla completa sin recirculación ya se ha realizado anteriormente en este capítulo (véase Sección 8.5) y se detalla, adicionalmente, en el apéndice G. Las ecuaciones correspondientes para una laguna aireada única son las siguientes: Para una cinética de primer orden:

S/So = 1 / (1 + k1 (V/Q)) (8.58)

Para cinética de cuasi segundo orden:

S/So = 1 / (1 + k2X (V/Q)) (8.59)

donde: S = concentración de DBO5 del efluente, mg/l. So = concentración de DBO5 del afluente, mg/l. k1, k2 = constante de eliminación global de la DBO5, L/mg · d. V = volumen, m3. Q = caudal, m3/día.

X = sólidos en suspensión del liquido mezcla, mg/l. La ecuación correspondiente, deducida de la consideración de la cinética de eliminación del substrato soluble dada por la Ecuación 8.8 es:

S/So = 1 / (1 + [kX/(Ks + S)] (V/Q)) (8.60)

Los términos de la Ecuación 8.60 ya se han definido anteriormente. La aplicación de las Ecuación 8.58, 8.59 y 8.60 se trata en el Problema 8.17 y en el Ejemplo 10-5 del Capitulo 10. Reactor discontinuo secuencial

Un reactor discontinuo secuencial (SBR) es un sistema de tratamiento de fangos activados cuyo funcionamiento se basa en la secuencia de ciclos de llenado y vaciado. Los procesos unitarios que intervienen son idénticos a los de un proceso convencional de fangos activados. En ambos sistemas intervienen la aireación y la sedimentación-clarificación. No obstante, existe entre ambos una importante diferencia. En las plantas convencionales, los procesos se llevan a cabo simultáneamente en tanques separados, mientras que en los SBR, los procesos tienen lugar secuencialmente en el mismo tanque. Descripción del proceso. Tal como se emplean hoy en día, todos los sistemas de SBR tienen en común cinco etapas, que tienen lugar de forma secuencial: (1) llenado; (2) reacción (aireación); (3) sedimentación (clarificación); (4) extracción (vaciado por decantación), y (5) fase inactiva. Cada uno de estos pasos se ilustra en la Figura 8-21 y se describe en la Tabla 8-8. Para alcanzar objetivos de tratamiento específicos, se han introducido numerosas modificaciones del proceso variando los tiempos asociados a cada uno de los diferentes pasos [37].

FIGURA 8-21 Secuencia de funcionamiento típica para un reactor discontinuo secuencial [37]. TABLA 8-8 Descripción de las diferentes fases de funcionamiento de un reactor discontinuo secuenciala

a Adaptado de la bibliografía [37]. b La purga de los fangos suele tener lugar durante la fase de sedimentación o la fase inactiva, aunque puede llevarse a cabo durante cualquier fase, dependiendo del modo dc operación.

La purga del fango es otro paso importante en el funcionamiento de los SBR que afecta, de manera importante, a su rendimiento. No se incluye como una de las cinco etapas básicas del proceso, puesto que no existe un momento determinado dedicado a la eliminación del fango dentro del ciclo de funcionamiento. La cantidad de fango que hay que purgar y la frecuencia con que se debe efectuar la purga se determinan según las necesidades dictadas por los rendimientos, como ocurre con el sistema de flujo continuo convencional. En el funcionamiento de los SBR, la purga del fango suele realizarse en la fase de sedimentación o en la de inactividad. Una característica única de los SBR es que no es necesario disponer de un retorno de fangos activados (RFA). Debido a que tanto la aireación como la decantación tienen lugar en el mismo tanque, no se pierde cantidad de fango alguna en la fase de rea