El daño o destrucción de la pared celular
da lugar a la lisis celular y a la muerte de
la
célula. Algunos agentes, como la penicilina, inhiben
la síntesis
de la pared celular de las bacterias.
Los agentes tales como los compuestos fenólicos y
los detergentes alteran la permeabilidad de la membrana
citoplasmática. Estas sustancias destruyen la
permeabilidad selectiva de la membrana y permiten que se escapen
algunos nutrientes vitales, como el nitrógeno y el
fósforo.
El calor , la radiación, y los agentes
fuertemente ácidos o alcalinos alteran la naturaleza
coloidal del protoplasma. El calor coagula la proteína
celular y los ácidos o bases desnaturalizan las proteínas,
produciendo un efecto letal.
Otro modo de desinfección consiste en la
inhibición de la actividad enzimática. Los agentes
oxidantes, tales como el cloro, pueden alterar la estructura
química de los enzimas dando
lugar a su desactivación.
Análisis de los factores que influyen en la
acción de los desinfectantes
Al aplicar los medios o agentes de desinfección
descritos, se deben tener en cuenta los siguientes
factores:
(1) Tiempo De Contacto
(2) Tipo Y Concentración Del Agente
Químico
(3) Intensidad Y Naturaleza Del Agente
Físico
(4) Temperatura
(5) Número De Organismos
(6) Tipo De Organismos
(7) Naturaleza Del Medio Líquido [10]
Tiempo de contacto. Quizá sea esta una de
las variables más importantes en el proceso de
desinfección. Por lo general se ha podido observar que
para una concentración dada de desinfectante, la
mortalidad de los patógenos aumenta cuanto mayor sea el
tiempo de contacto.
Tipo y concentración del agente
químico. Según el tipo de agente
químico empleado, y dentro de ciertos límites, se
ha podido comprobar que la efectividad de la desinfección
está relacionada con la concentración. El efecto de
la concentración se ha formulado empíricamente con
la siguiente expresión [6]:
donde C = concentración del
desinfectante.
n = constante.
Tp= tiempo necesario para alcanzar un porcentaje de
mortalidad constante.
Las constantes de la Ecuación se pueden
determinar representando la concentración frente al tiempo
necesario para alcanzar un porcentaje dado de mortalidad en un
papel doblemente logarítmico. La pendiente de la recta
corresponde al valor de — 1/n. En general, si n es
mayor que 1, el tiempo de contacto es más importante que
la dosis de desinfectante, mientras que si n es cercano a
1 ambos parámetros tienen importancias
comparables.
Intensidad y naturaleza del agente físico.
Como se ha señalado anteriormente, el calor y la luz son
los agentes físicos que han sido ocasionalmente empleados
en la desinfección del agua residual. Se ha podido
constatar que su efectividad está relacionada con la
intensidad.
Temperatura. El efecto de la temperatura sobre la
tasa de mortalidad se puede representar mediante una forma de la
relación de Van’t Hoff-Arrhenius. El aumento de la
temperatura produce un aumento en la velocidad de mortalidad. La
relación, en función del tiempo t necesario para
alcanzar un determinado índice de mortalidad, es la
siguiente:
donde t1, t2 = tiempo necesario
para alcanzar el porcentaje de mortalidad a
las temperaturas T1 y
T2, 0K, respectivamente.
E = energía de activación,
J/mol.
R = constante de los gases, 8,3 14 J/mol . 01(
(1,99 cal/0K . mol).
Número de organismos. En un sistema
diluido, como el del agua residual, la concentración de
organismos es muy raramente objeto de especial
consideración. Sin embargo, a la vista de la
Ecuación, se puede concluir que cuanto mayor sea la
concentración de organismos, mayor será el tiempo
necesario para alcanzar una mortalidad determinada. Una
relación empírica propuesta para describir el
efecto de la concentración de organismos sobre el proceso
de desinfección es la siguiente [6]:
donde C = concentración del
desinfectante.
Np= concentración de organismos reducidos en
un porcentaje determinado en un tiempo también
determinado.
q = constante relacionada con la fuerza de un
desinfectante.
Tipos de organismos. La efectividad de los
diferentes desinfectantes está influida por la naturaleza
y condición de los organismos. Por ejemplo, las células
bacterianas de crecimiento viable se destruyen fácilmente.
En cambio, las esporas bacterianas son extremadamente resistentes
y muchos de los desinfectantes químicos normalmente
empleados tienen escaso o ningún efecto sobre ellas, por
lo que será necesario emplear otros agentes
desinfectantes, como el calor.
Naturaleza del medio líquido.
Además de todos los factores que se acaban de citar,
también es necesario valorar con detenimiento la
naturaleza del medio líquido. Por ejemplo, puede haber
materia orgánica extraña que reduzca la eficacia de
los desinfectantes oxidantes al reaccionar con ellos. La turbidez
reducirá la efectividad de los desinfectantes debido a la
adsorción y a la protección de las bacterias
atrapadas.
Como ya se ha comentado anteriormente, de todos los
desinfectantes empleados, el cloro es quizás el más
universalmente utilizado. La razón de este hecho hay que
buscarla en que satisface la mayoría de los
requisitos.
Química del cloro
Los compuestos de cloro más comúnmente
empleados en las plantas de tratamiento de aguas residuales son
el cloro gas (Clj, el hipoclorito sódico (NaOC1), el
hipoclorito de calcio [Ca(OC1)2], y el dióxido
de cloro (Gb2). Los hipocloritos sódico y
cálcico se suelen emplear en las plantas pequeñas,
especialmente en las prefabricadas, en las que la simplicidad y
seguridad son
criterios de mayor peso que el coste. El hipoclorito de sodio
también se emplea en las plantas de gran tamaño,
principalmente por cuestiones de seguridad relacionadas con las
condiciones locales. El dióxido de cloro también se
emplea en las instalaciones de tratamiento, debido a que tiene
algunas propiedades poco frecuentes (no reacciona con el
amoníaco). A pesar de que también se emplean otros
compuestos del cloro, el análisis que sigue a
continuación se limitará al estudio de la
aplicación de cloro gas, por ser la forma más
extensamente adoptada.
Reacción al Breakpoint
El hecho de que el cloro libre reaccione con el
amoníaco y de que sea un fuerte agente oxidante, complica
bastante el mantenimiento de una cantidad residual (combinado o
libre) para la desinfección de las aguas
residuales.
Al ir añadiendo cloro, las sustancias que
reaccionan con facilidad, como el Fe+2, el
Mn+2, el H2 S o la materia orgánica,
reaccionan con el cloro y lo reducen en gran parte a ion cloruro
(Tras satisfacer esta demanda inmediata, el cloro
continuará reaccionando con el amoníaco para formar
cloraminas,. Para relaciones molares entre cloro y
amoníaco inferiores a 1, se formará monocloramina y
dicloramina. La distribución de estas dos formas viene
dictada por sus velocidades de formación, que son
función de la temperatura y del pH. Entre el punto B y el
punto de breakpoint, algunas de las cloraminas se transforman en
tricloruro de nitrógeno (mientras que las restantes
cloraminas se oxidarán a óxido de nitrógeno
(N20) y nitrógeno (N2) y el cloro se
reducirá a ion cloruro. Si se continúa
añadiendo cloro, todas las cloraminas se oxidarán
en el breakpoint.
La adición de cloro más allá del
breakpoint, producirá un aumento del cloro libre
disponible directamente proporcional al cloro añadido
(hipoclorito sin reaccionar). La razón principal para
añadir suficiente cloro como para obtener cloro residual
libre radica en que se asegura que se alcanzará la
desinfección. En ocasiones, debido a la formación
de tricloruro de nitrógeno y de sus compuestos afines, las
operaciones de cloración al breakpoint han presentado
problemas de olores. La presencia de compuestos adicionales
durante la cloración da lugar a la reacción con la
alcalinidad del agua residual y, en casi todos los casos, la
reducción del pH será pequeña. La presencia
de compuestos adicionales que reaccionen con el cloro puede
alterar significativamente la forma de la curva del breakpoint.
La cantidad de cloro que se debe añadir para alcanzar un
nivel de cloro residual determinado recibe el nombre de demanda
de cloro.
La decloración es la práctica que consiste
en la eliminación de la totalidad del cloro combinado
residual presente en el agua después de la
cloración, para reducir los efectos tóxicos de los
efluentes descargados a los cursos de agua
receptores o destinados a la reutilización.
Toxicidad de los compuestos de cloro
residuales
La cloración es uno de los métodos
más comúnmente utilizados para la
destrucción de los organismos patógenos y otros
organismos perjudiciales que puedan poner en peligro la salud humana. Sin embargo,
como se ha señalado anteriormente, algunos de los compuestos
orgánicos presentes en el agua residual pueden causar
interferencias en el proceso de cloración. Muchos de estos
compuestos pueden reaccionar con el cloro para formar compuestos
tóxicos, que pueden tener efectos adversos a largo plazo
sobre los usos de las aguas a las que se descargan. A fin de
minimizar los efectos de esta toxicidad potencial del cloro
residual sobre el medio
ambiente, se ha considerado necesario declorar el agua
residual previamente clorada.
Análisis de la
decloración
El producto químico que más se emplea para
llevar a cabo la decloración, tanto si es necesaria para
cumplir las limitaciones de vertidos, como si se aplica para
mejorar la calidad del efluente de la cloración al
breakpoint para la eliminación del nitrógeno
amoniacal, es el dióxido de azufre. También se ha
empleado con este fin el carbón activado.
Dióxido de azufre. El gas
dióxido de azufre elimina, sucesivamente, el cloro libre,
la monocloramina, la dicloramina, el tricloruro de
nitrógeno, y los compuestos policlorados. En la
reacción global entre el dióxido de azufre y el
cloro la relación ponderal estequiométrica entre el
dióxido de azufre y el cloro es de 0,91. En la
práctica, se ha podido comprobar que se necesita 1 mg/l de
dióxido de azufre para declorar 1 mg/l de cloro residual
(expresado como Cl. Dado que las reacciones del dióxido de
azufre con el cloro y las cloraminas son casi
instantáneas, el tiempo de contacto no suele ser un factor
esencial. Por esta razón no se emplean cámaras de
contacto, aunque es absolutamente imprescindible un mezclado
rápido y eficaz en el punto de aplicación. La
relación entre el cloro libre y el cloro total combinado
residual antes de la decloración es el factor determinante
de si el proceso de decloración se completará o si
se conseguirá una decloración parcial. Una
relación menor del 85 por 100 indica, normalmente, que
existe una cantidad sustancial de nitrógeno
orgánico que interfiere el proceso del cloro residual
libre.
En la mayoría de los casos, la decloración
con dióxido de azufre constituye un proceso unitario muy
fiable en el tratamiento del agua residual, siempre que la
precisión del sistema de control de cloro residual
combinado sea la adecuada. Es conveniente evitar dosificar el
dióxido de azufre en exceso, no sólo por el gasto
innecesario, sino también a causa de la demanda de
oxígeno que produce el exceso de dióxido de azufre.
La reacción que tiene lugar entre el exceso de
dióxido de azufre y el oxígeno disuelto, que es una
reacción relativamente lenta.
El resultado de esta reacción es una
reducción del contenido de oxígeno disuelto en el
agua residual, junto con un aumento de los valores medidos de la
DBO, la DQO, y un posible descenso del valor del pH. Todos estos
efectos se pueden eliminar por medio de un control adecuado del
sistema de decloración.
Las instalaciones de decloración con
dióxido de azufre son parecidas a los sistemas de
cloración debido a que el equipo del dióxido de
azufre es intercambiable con el de cloración. Los
parámetros básicos de control de este proceso son:
(1) una adecuada dosificación basada en un control preciso
(amperométrico) del cloro residual combinado, y (2) una
mezcla adecuada en el punto de aplicación del
dióxido de azufre.
Carbón activado. La decloración
mediante adsorción sobre carbón activado
proporciona una completa eliminación tanto del cloro
residual libre como del combinado Cuando se emplea carbón
activado en el proceso de decloración, las reacciones que
tienen lugar son las siguientes:
El carbón activado granular se utiliza en filtros
de gravedad o a presión. Si el carbón se va a
emplear, exclusivamente, para la decloración, este proceso
debe ir precedido de otro a base de carbón activado para
la eliminación de otros constituyentes susceptibles de ser
eliminados. En plantas de tratamiento que emplean el
carbón activado para la eliminación de la materia
orgánica, se pueden emplear para la decloración
tanto los mismos lechos como otros diferentes, siendo factible la
regeneración del carbón.
Dado que se ha podido comprobar que la
utilización del carbón granular en columnas es muy
efectiva y fiable, siempre se debe tener en cuenta a la hora de
plantearse la necesidad de decloración. Es de esperar que
la principal aplicación del carbón activado en la
decloración se dará en situaciones en las que
también sean necesarios altos niveles de
eliminación de materia orgánica.
DESINFECCION CON
DIOXIDO DE CLORO
El dióxido de cloro es otra sustancia bactericida
cuyo poder de desinfección es igual o superior al del
cloro, y que se ha comprobado que resulta más efectivo que
el cloro en la inhibición e inactivación de virus.
Una explicación posible de este fenómeno se basa en
el hecho de que una proteína, la peptona, puede adsorber
el dióxido de cloro. Dado que los virus tienen un
recubrimiento proteínico, es posible que la
inactivación del virus venga provocada por la
adsorción del dióxido de cloro en la superficie de
dicho recubrimiento. En el pasado, el uso del dióxido de
cloro no había sido considerado viable debido a su alto
coste económico.
Efectividad del dióxido de
cloro
El agente desinfectante que se presenta en un sistema
que contiene dióxido de cloro es el dióxido de
cloro libre disuelto. La química del dióxido de
cloro en medio acuoso no es bien conocida en la actualidad. El
dióxido de cloro tiene un potencial de oxidación
extremadamente alto, lo cual puede explicar su potencial
germicida. Debido a este alto potencial de oxidación, es
posible que los mecanismos bactericidas que provoca tengan que
ver con la inactivación de los sistemas de enzimas
críticos, o con la interrupción y
destrucción del proceso de síntesis de
proteínas.
Formación de subproductos.
La utilización de dióxido de cloro puede
dar lugar a la formación algunos productos finales
potencialmente tóxicos, como el clorito y el clorato, y a
su presencia en forma de componentes del cloro residual total.
Las cantidades de dióxido de cloro residual y de los
productos finales de la reacción se degradan a mayor
velocidad que el cloro residual, por lo que pueden no representar
una amenaza tan directa para la vida acuática como lo es
el cloro residual. Una ventaja del uso del dióxido de
cloro es que no reacciona con el amoníaco para dar paso a
la formación de las cloraminas, que son potencialmente
tóxicas. También se ha podido comprobar que no se
forman compuestos orgánicos halogenados en cantidades
apreciables. Este hecho es especialmente cierto en cuanto a la
formación de cloroformo, que es una sustancia cuyos
efectos cancerígenos están bajo
sospecha.
DESINFECCION CON
CLORURO DE BROMO
Debido a que los aspectos prácticos relacionados
con la desinfección con cloruro de bromo se analizan en el
Capítulo 9, la discusión que sigue a
continuación se limita a una breve descripción de
la química del cloruro de bromo, un análisis del
rendimiento del cloruro de bromo como desinfectante, y un estudio
de los factores que pueden influir en la efectividad del proceso
de desinfección mediante cloruro de bromo.
Efectividad del cloruro de bromo
A pesar de que, en base a los datos disponibles, no es
posible clasificar el cloruro de bromo como un desinfectante de
efectividad demostrada, como el cloro, sí parece ser que
el cloruro de bromo es tan fiable, flexible y efectivo como el
cloro. Aunque todavía es necesario profundizar en el
conocimiento
del mecanismo de desinfección celular (debido a la
similitud entre el ácido hipobromoso y el ácido
hipocloroso), parece razonable suponer que se adsorbe al interior
de la célula
bacteriana e interrumpe la actividad enzimática
crítica. Se ha podido comprobar que las bromaminas son
germicidas más efectivos que las cloraminas, y se degradan
a mayor velocidad. También se ha constatado que el cloruro
de bromo inactiva la misma cantidad de polivirus que el cloro con
la mitad de dosis. Aunque no se han llegado a establecer valores
estándar del tiempo de contacto, sí es posible
afirmar que el tiempo de contacto del cloruro de bromo suele ser
inferior al necesario para la desinfección con cloro. Un
tiempo de contacto igual al del cloro debería resultar
más que adecuado para este desinfectante. Es preciso
llevar a cabo estudios más profundos para verificar las
dosis de cloruro de bromo necesarias para obtener efluentes de
determinada calidad, para determinar el método de
aplicación del cloruro de bromo más eficaz y
efectivo, para determinar la efectividad del cloruro de bromo
para los usos auxiliares, y para obtener datos de campo
adicionales sobre los efectos a corto y largo plazo del cloruro
de bromo sobre la vida acuática en los cuerpos de agua
receptores.
Formación de subproductos. Como
consecuencia del proceso de desinfección con cloruro de
bromo, también se producen otras sustancias
orgánicas bromadas. Se cree que estas sustancias
orgánicas bromadas son susceptibles de experimentar una
degradación hidrolítica y fotoquímica, por
lo que no es previsible que perduren en las aguas receptoras
cantidades significativas de estos compuestos. Según un
estudio elaborado por el Laboratorio de
Investigación Medioambiental de la EPA (Duluth), se ha
podido comprobar que los productos químicos
orgánicos bromados se bioacumulan en los peces
expuestos a aguas desinfectadas con cloruro de bromo. No
obstante, los residuos orgánicos bromados hallados en los
peces estaban presentes en concentraciones inferiores a las de
otros compuestos tóxicos (p.c. PCB y clordano).
Ciertamente, es necesario llevar a cabo más estudios al
respecto, debido a los escasos datos existentes y a la existencia
de datos contradictorios.
El ozono fue empleado por primera vez para la
desinfección de aguas de abastecimiento en Francia, a
principios de siglo. Su uso aumentó y posteriormente se
expandió a diversos países europeos occidentales.
Hoy en día, existen cerca de 1000 instalaciones de
desinfección con ozono (la mayor parte de ellas en
Europa), para el tratamiento de las aguas de abastecimiento. Un
uso común del ozono en estas instalaciones se centra en el
control de los agentes responsables de la producción de
sabores, olores y colores. A pesar
de que, históricamente, su uso estaba limitado a la
desinfección de aguas de abastecimiento, los recientes
avances en materia de generación de ozono y de la tecnología de
disolución han permitido que el ozono se haya convertido
en una posibilidad económicamente competitiva para la
desinfección de las aguas residuales. En el tratamiento de
las aguas residuales, el ozono también se puede emplear
para el control de olores y para la eliminación de materia
orgánica soluble refractaria, sustituyendo al proceso de
adsorción con carbón activado. A
continuación, se discuten aspectos relativos a la
generación del ozono, la efectividad del ozono como
desinfectante, y la aplicación de los procesos de
ozonación.
Otras ventajas del uso del ozono. Otra de las
ventajas que se deriva del empleo de ozono para la
desinfección es que se elevará la
concentración de oxígeno disuelto del efluente,
hasta valores cercanos a la concentración de
saturación, como consecuencia de la rápida
descomposicón del ozono en oxígeno. Este hecho
puede permitir no tener que reairear el efluente para cumplir con
las limitaciones normativas de calidad del efluente relacionadas
con la concentración de oxígeno disuelto. Es
más, debido a que el ozono se descompone
rápidamente, no queda en el efluente ningún
compuesto químico residual que precise ser eliminado, como
ocurría con el cloro residual.
DESINFECCION CON RA
YOS ULTRA VIOLETAS
La desinfección de aguas de abastecimiento basada
en la radiación emitida por fuentes de
rayos ultravioletas (UV) se ha empleado en contadas ocasiones
desde principios de siglo. Aunque su primer uso se centraba en la
desinfección de aguas de suministro de alta calidad,
recientemente se ha experimentado un renovado interés en
la aplicación de esta técnica de cara a la
desinfección de aguas residuales. Se ha podido comprobar
que una correcta dosificación de rayos ultravioletas es un
eficaz bactericida y virucida, además de no contribuir a
la formación de compuestos tóxicos.
Son los métodos de tratamiento en los que la
remoción de los contaminantes se lleva a cabo por la
actividad biológica de los microorganismos. La
remoción de la materia orgánica biodegradable tanto
coloidal como disuelta por acción biológica,
constituye la principal aplicación de este tipo de
procesos
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.
La nutrición bacteriana
y los procesos de tratamiento biológicos.
Elprincipal 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 organicos.
PROCESOS
BIOLOGICOS DE TRATAMIENTO
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
oxígeno.
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 amoníaco 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 líquido.
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 son 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.
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
son:
- La eliminación de la materia orgánica
carbonosa del agua residual, normalmente medida como DBO,
carbono orgánico total (COT), o demanda química
de oxígeno (DQO). - Nitrificación
- Desnitrificación;
- Eliminación de fósforo
- Estabilización de fangos.
PROCESOS DE TRA
TAMIENTO AEROBIO DE CULTIVO EN SUSPENSION
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.
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.
Descripción del proceso. Desde el punto de
vista del funcionamiento, el tratamiento biológico de
aguas residuales mediante el proceso de fangos activados. 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
«líquido mezcla».
El ambiente aerobio en el reactor se consigue mediante
el uso de difusores o de aireadores mecánicos, que
también sirven para mantener el líquido 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 La
fracción purgada corresponde al crecimiento de tejido
celular, 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.
Digestión aerobia
La digestión aerobia es un método
alternativo de tratar los fangos orgánicos producidos en
el curso de las diversas operaciones de tratamiento. Los
digestores aerobios se pueden emplear para el tratamiento de: (1)
únicamente fangos activados o de filtros percoladores; (2)
mezclas de
fangos activados o de filtros percoladores con fangos primarios,
o (3) fango biológico en exceso de plantas de tratamiento
de fangos activados sin sedimentación primaria.
Actualmente suelen emplearse dos variantes del proceso de
digestión aerobia: el sistema convencional y el sistema
con oxígeno puro, aunque también se ha empleado la
digestión aerobia termófila.
La digestión aerobia termófila representa
un refinamiento adicional del proceso de digestión
aerobia. Este proceso puede permitir conseguir altos rendimientos
de eliminación de la fracción biodegradable
(superiores al 80 por 100) en tiempos de detención cortos
(3 a 4 días) mediante la acción de bacterias
termófilas a temperaturas entre 25 y 50 0C
superiores a la temperatura ambiente.
PROCESOS
AEROBIOS DE TRATAMIENTO DE CULTIVO FIJO
Los procesos de tratamiento aerobios de cultivo fijo se
emplean, normalmente, para eliminar la materia orgánica
que se encuentra en el agua residual. También se pueden
emplear para llevar a cabo el proceso de nitrificación
(conversión del nitrógeno amoniacal en nitrato).
Los procesos de cultivo fijo incluyen los filtros percoladores,
los filtros de pretratamiento o desbaste, los reactores
biológicos rotativos de contacto (biodiscos) y los
reactores de nitrificación de lecho fijo. Dado que el
proceso de filtros percoladores es el más
comúnmente empleado, será tratado con mayor detalle
que el resto de los procesos
Filtros percoladores
El primer filtro percolador se puso en funcionamiento en
Inglaterra en 1893. El concepto de
filtro percolador nació del uso de los filtros de
contacto, que eran estanques impermeables rellenados con piedra
machacada. En su funcionamiento, el lecho de contacto se llenaba
con el agua residual por la parte superior y se permitía
el contacto del agua con el medio durante un corto espacio de
tiempo. A continuación, se dejaba drenar el lecho y se
permitía un cierto tiempo de reposo antes de repetir el
ciclo. Un ciclo típico exigía un total de 12 horas,
de las cuales 6 se destinaban al reposo del filtro. Las
limitaciones del filtro de contacto incluían una
posibilidad relativamente alta de obturaciones, la
duración del periodo de reposo, y la carga que
podía emplearse, que era relativamente baja.
Descripción del proceso. El filtro
percoiador moderno consiste en un lecho formado por un medio
sumamente permeable al que se adhieren los microorganismos y a
través del cual percola el agua residual, fenómeno
del que recibe el nombre el proceso. Fi medio filtrante suele
estar formado por piedras (en ocasiones también se emplean
escorias), o diferentes materiales plásticos de relleno.
En el caso de filtros percoladores con medio filtrante de piedra,
el diámetro de las piedras oscila entre 2,5 y 10 cm. La
profundidad del lecho varía en cada diseño
particular, pero suele situarse entre 0,9 y 2,5 metros, con una
profundidad media de 1,8 metros. Los filtros de piedra suelen ser
circulares, y el agua residual se distribuye por la parte
superior del filtro mediante un distribuidor
rotatorio.
Filtros de desbaste
Los filtros de desbaste son filtros percoladores
especialmente diseñados para trabajar con cargas
hidráulicas elevadas. Los filtros de desbaste se usan,
principalmente, para reducir la carga orgánica aplicada a
los procesos posteriores y para obtener una nitrificación
estacional, caso en el que se emplean para reducir la carga
orgánica aplicada al proceso biológico situado a
continuación en el proceso, con el objetivo de que se
pueda conseguir la nitrificación en los meses de
verano.
Los filtros de desbaste se suelen emplear con cargas
hidráulicas elevadas, por lo que necesitan altas tasas de
recirculación. El hecho de que las cargas
hidráulicas sean tan elevadas, hace que el fenómeno
de arrastre de la capa biológica se produzca, casi, de
forma de continua. Si se emplea un efluente no sedimentado para
la recirculación, los sólidos biológicos
presentes en el caudal de recirculación pueden contribuir
a la eliminación de materia orgánica como si se
tratara de un sistema de cultivo en suspensión. Cuando se
produce este mecanismo, se pueden alcanzar rendimientos
superiores a los previstos mediante un modelo de
cultivo fijo.
Reactores de lecho compacto
Existe otro proceso de cultivo fijo, que es el reactor
de lecho compacto, utilizado tanto para la eliminación de
la DBO carbonosa como para la nitrificación.
Típicamente, un reactor de lecho compacto consiste en un
tanque (reactor) en el que existe un medio al que se adhieren los
microorganismos. El agua residual se introduce en el tanque por
su parte inferior mediante un sistema de distribución
adecuado o mediante una cámara de alimentación. El aire
u oxígeno puro necesario para el proceso se introduce
conjuntamente con el agua residual a tratar.
PROCESOS
DE TRATAMIENTO ANAEROBIOS DE CULTIVOS EN
SUSPENSION
Digestión anaerobia
La digestión anaerobia es uno de los procesos
más antiguos empleados en la estabilización de
fangos. En este proceso se produce la descomposición de la
materia orgánica e inorgánica en ausencia de
oxígeno molecular. Sus principales aplicaciones han sido,
y siguen siendo hoy en día, la estabilización de
fangos concentrados producidos en el tratamiento del agua
residual y de determinados residuos industriales. Sin embargo,
recientemente se ha demostrado que los residuos orgánicos
diluidos también se pueden tratar
anaeróbicamente.
PROCESOS ANAEROBIOS DE TRATAMIENTO DE CULTIVO
FIJO
Los dos procesos anaerobios de tratamiento más
comúnmente empleados para el tratamiento de residuos
orgánicos carbonosos son el filtro anaerobio y el proceso
de lecho expandido.
Proceso del filtro anaerobio
El filtro anaerobio es una columna rellena de diversos
tipos de medios sólidos que se utiliza para el tratamiento
de la materia orgánica carbonosa contenida en el agua
residual. El agua a tratar fluye en sentido ascendente, entrando
en contacto con el medio sobre el que se desarrollan y fijan las
bacterias anaerobias. Dado que las bacterias están
adheridas al medio y no son arrastradas por el efluente, se
pueden obtener tiempos medios de retención celular del
orden de los cien días. En consecuencia, es posible
conseguir grandes valores de O con bajos tiempos de
detención hidráulica. De este modo, el filtro
anaerobio se puede emplear para el tratamiento de residuos de
baja concentración a temperatura ambiente.
Proceso de lecho expandido
En el proceso de lecho expandido el agua residual
a tratar se bombea a través de un lecho de material
adecuado (p.e. arena, carbón, conglomerado expandido) en
el que se ha desarrollado un cultivo biológico. El
efluente se recircula para diluir el agua entrante y para
mantener un caudal adecuado que asegure que el medio se halle
expandido. Se han llegado a emplear concentraciones de biomasa
superiores a 15.000-40.000 mg/l. Debido a las altas
concentraciones de biomasa que se pueden conseguir, el proceso de
lecho expandido también se puede emplear para el
tratamiento de aguas residuales municipales, con tiempos de
detención hidráulica muy pequeños. En el
tratamiento de este tipo de residuos, la presencia de sulfatos
puede producir la generación de sulfuro de
hidrógeno, para cuya captura en la fase de solución
se han desarrollado diferentes métodos. Se supone que el
uso de este y otros procesos anaerobios de cultivo fijo
aumentará con el tiempo, especialmente debido a que la
cantidad de fango producido es considerablemente inferior a la
que se produce en los procesos aerobios. La recuperación
del metano, un gas útil, es otra de las ventajas
importantes de los procesos anaerobios.
ELIMINAClON
BIOLOGICA DE NUTRIENTES
La eliminación de los nutrientes del agua
residual se hace necesaria cada vez con mayor frecuencia, ya que
puede ser necesario controlar el vertido de nitrógeno o de
fósforo debido a su potencial impacto sobre la calidad de
las aguas receptoras [41]. Las opciones de eliminación de
nutrientes que cabe considerar son las siguientes:
1. Eliminación de nitrógeno sin eliminar
el fósforo.
2. Eliminación conjunta del nitrógeno y
del fósforo.
3. Eliminación del fósforo con o sin
eliminación de nitrógeno.
4. Eliminación del fósforo todo el
año con eliminación estacional del
nitrógeno.
Hernan Escobar
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