Tratamiento Secundario de Aguas Residuales
El tratamiento secundario busca remover compuestos orgánicos coloidales y solubles mediante la acción de microorganismos. Los sistemas de tratamiento biológico convierten la materia orgánica biodegradable en sólidos suspendidos, los cuales pueden flocularse y ser removidos por sedimentación granular.
Objetivos del Tratamiento Biológico
- Aguas Domésticas: Reducción de la materia orgánica presente y eliminación de nutrientes como nitrógeno (N) y fósforo (P).
- Aguas Industriales: Reducción de compuestos orgánicos e inorgánicos específicos.
Fundamentos de la Microbiología en el Tratamiento
Los microorganismos son esenciales para la eliminación de la DBO carbonosa, la coagulación de los sólidos coloidales no sedimentables y la estabilización de la materia orgánica.
Las bacterias convierten la materia orgánica carbonosa en gases y tejido celular.
Fuentes de Energía para el Crecimiento Bacteriano
La síntesis celular se obtiene de la luz o de las reacciones químicas de oxidación.
Clasificación según la Fuente de Energía
- Fotótrofos: Utilizan la luz como fuente de energía.
- Quimiótrofos: Obtienen energía a través de reacciones químicas.
- Quimiolitótrofos (Subtipo de Quimiótrofos): Consiguen energía a partir de la oxidación de compuestos inorgánicos como el amoníaco, el nitrato y el sulfato.
Fuentes de Carbono
La materia orgánica y el dióxido de carbono (CO₂) son fuentes de carbono.
- Heterótrofos: Utilizan carbono orgánico para la transformación de tejidos.
- Autótrofos: Obtienen carbono a través del dióxido de carbono.
Nutrientes Esenciales
Los nutrientes condicionan y limitan, en mayor medida que el carbono y la energía, la síntesis celular y el crecimiento bacteriano.
Tipos de Nutrientes
- Macronutrientes (Inorgánicos): Necesarios para los microorganismos (N, S, P, K, Mg, Ca, Na, Cl).
- Nutrientes Orgánicos (Factores de Crecimiento): Compuestos que necesitan los organismos como constituyentes para la síntesis de materia que no pueden obtener de otras fuentes de carbono (ej. aminoácidos, purinas, vitaminas).
Metabolismo Bacteriano
- Metabolismo Aerobio Respiratorio: Generan energía por transporte de electrones mediante enzimas desde un donador. Solo pueden sobrevivir si existe una aportación suficiente de oxígeno molecular (aerobios obligados).
- Metabolismo Anaerobio: Generan energía por fermentación y solo pueden existir en un medio en ausencia de oxígeno. No requiere la aportación de un aceptador final de electrones externo.
Clasificación Metabólica Adicional
Las posibilidades metabólicas se clasifican también en:
- Aerobios Facultativos: Pueden cambiar de metabolismo fermentativo a respiratorio dependiendo de la presencia de oxígeno molecular.
- Anaerobios Aerotolerantes: Su metabolismo es estrictamente fermentativo, pero son tolerantes a la presencia de oxígeno molecular.
Composición y Estequiometría Bacteriana
- Composición de la Bacteria: 80% agua y 20% materia seca. Dentro de la materia seca, el 90% es orgánica y el resto inorgánica.
- Fórmula Estequiométrica (Fracción Orgánica Aproximada): C₅H₇O₂N.
- Fórmula Incluyendo Fósforo (P): C₆₀H₈₇O₂₃N₁₂P.
- Densidad de la Bacteria: 1.01.
Cinética y Crecimiento Bacteriano
El crecimiento bacteriano puede ocurrir por fisión binaria, sexualmente o por gemación.
Etapas del Crecimiento Bacteriano (Curva de Crecimiento)
- Fase de Retardo (Lag): Tiempo necesario en el cual el organismo se aclimata a las nuevas condiciones ambientales y comienza a subdividirse.
- Fase de Crecimiento Exponencial (Log): La célula se divide a una determinada velocidad, dada por su tiempo de generación y capacidad de procesar alimentos.
- Fase Estacionaria: Las células han agotado los nutrientes para el crecimiento, igualando la generación de células nuevas con la tasa de muerte.
- Fase de Muerte Exponencial: La tasa de mortalidad de las bacterias excede a la tasa de generación.
Procesos Biológicos Clave en el Tratamiento
- Desnitrificación Anóxica: Proceso mediante el cual el nitrógeno de los nitratos (NO₃⁻) se transforma en nitrógeno gas (N₂) en ausencia de oxígeno molecular.
- Proceso Facultativo: Proceso biológico donde los organismos responsables pueden operar en presencia o ausencia de oxígeno.
- Eliminación de DBO Carbonosa: Conversión de la materia orgánica en tejido celular y diversos productos gaseosos.
- Nitrificación: Proceso mediante el cual el amoníaco (NH₃) se transforma en nitrito (NO₂⁻) y después en nitrato (NO₃⁻).
- Sustrato: Nutrientes que sufren una conversión o que pueden constituir un factor limitante en el tratamiento biológico.
Sistemas de Cultivo y Control
- Cultivo Fijo (Película Fija): Los microorganismos se mantienen adheridos a un medio inerte, tal como piedras o escoria.
- Cultivo Mixto (Suspensión): Proceso de tratamiento biológico integrado por poblaciones biológicas mezcladas, donde cada microorganismo tiene su curva de crecimiento y su función dentro del sistema (alimento y nutrientes), influenciado por factores ambientales como temperatura, pH y carácter aerobio o anaerobio.
Control de la Cinética Biológica
Las condiciones ambientales se pueden controlar mediante la regulación del pH, la temperatura, la adición de nutrientes y la exclusión de oxígeno.
Se puede asegurar una estabilización eficaz mediante el control de la tasa de crecimiento de los microorganismos.
Ejemplos de Tratamiento Aerobio
El tratamiento aerobio de cultivo es empleado para la eliminación de la materia orgánica. Ejemplos incluyen:
- Lodos Activados.
- Lagunas Aireadas.
- Reactor de Flujo Discontinuo Secuencial (SBR).
- Digestión Aerobia.
Lodos Activados
Masa activada de microorganismos capaces de estabilizar un residuo por medio aerobio. Se utiliza un cultivo floculado o en suspensión bajo condiciones aerobias y se emplea el agua residual como sustrato.