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• Carlos Gabriel

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Biorreactor de modo discontinuo, por lotes o batch El crecimiento de microorganismos en batch se refiere a que las células se cultivan en un recipiente con una concentración inicial, sin que esta sea alterada por nutrientes adicionales o el lavado, por lo que el volumen permanece constante y solo las condiciones ambientales del medio (pH, temperatura, velocidad de agitación, etc.) son controladas por el operador. El proceso finaliza cuando todo el sustrato es consumido por la biomasa. Esta forma de cultivo es simple y se utiliza extensamente tanto en laboratorio como a escala industrial. Ecuación de balance de masa

En un reactor batch no hay flujo de entrada y de salida, por lo tanto los dos primeros términos son cero. Sustituyendo por términos: 𝑉

𝑑𝐶 = 0 − 0 − 𝑘𝐶 𝑛 𝑉 𝑑𝑡

Donde V habla del volumen del reactor, k está asociada a la constante de remoción de materia orgánica, C refiere a la concentración de materia orgánica y n de la cinética de la ecuación.

Ilustración de un biorreactor

Suponiendo una cinética de primer orden (n = 1), se elimina el término del volumen de un lado y otro, quedando la siguiente ecuación: 𝐶

𝑡 𝑑𝐶 = −𝑘 ∫ 𝑑𝑡 𝐶0 𝐶 0

∫

Haciendo la integral, se concluye: ln

𝐶 = −𝑘𝑡 𝑜 𝐶 = 𝐶0 𝑒 −𝑘𝑡 𝐶0

Se obtienen de resolver dc/dt= - kC

Si graficamos estas ecuaciones se obtiene: Ejemplo de aplicación: Los reactores biológicos secuenciales (SBR - Sequencing Batch Reactor) son reactores discontinuos en los que el agua residual se mezcla con un lodo biológico en un medio aereado. El proceso combina en un mismo tanque reacción, aeración y clarificación. Fuentes de Información: Diseño de biorreactores y enzimología Diseño de biorreactores y enzimología. (2016). Google Books.

Biorreactor de modo semicontinuo, por lote alimentado o fed-batch En un cultivo semicontinuo, los nutrientes son alimentados al biorreactor de forma continua o semicontinua, mientras que no hay efluente en el sistema. Según sea el objetivo de la operación, la adición intermitente mejora la productividad de la fermentación manteniendo baja la concentración del sustrato. Un proceso de este tipo está restringido por la capacidad volumétrica del reactor. .

Ejemplo de aplicación: Un fed-batch o un lote alimentado es un método biotecnológico de producción basado en la administración del sustrato limitante del crecimiento del cultivo. Suele emplearse para conseguir elevadas concentraciones celulares en el biorreactor. Frecuentemente la solución de alimentación está altamente concentrada para, de este modo, evitar en la medida posible la dilución del cultivo. Se emplea para evitar el efecto Crabtree, la formación de metabolitos secundarios (acetato en E.. coli, etanol en S. cerevisiae, etc.) a elevadas concentraciones de sustrato

Ilustración de un biorreactor fed-batch El punto de partida es la formulación de los balances de materiales para la biomasa, el sustrato y el producto junto con un balance total de materiales que es necesario puesto que el volumen del reactor cambia con el tiempo. Con la suposición que la densidad del líquido es constante, estas ecuaciones son

Dónde: F es la corriente de entrada, cSA la concentración de sustrato en la alimentación, V es el volumen de la mezcla de fermentación, X la concentración de biomasa en la mezcla de fermentación y p es la velocidad específica de formación de producto.

Si por el momento se omite la formación de producto, las ecuaciones de balance de materiales son:

Estas ecuaciones son similares a las de un quimiostato, con una importante diferencia; el término F/V, análogo a la velocidad de dilución D, cambia con el tiempo, puesto que V aumenta, mientras que Des constante para la operación quimiostática en estado estacionario.

Fuentes de Información: Diseño de biorreactores y enzimología. (2016). Google Books

Biorreactor de modo continúo Un cultivo continuo consiste en alimentar nutrientes y retirar productos continuamente de un biorreactor. Bajo ciertas condiciones el cultivo puede alcanzar un estado estacionario, donde no existe variación con el tiempo del volumen del biorreactor. De esta manera se puede utilizar para producir sustancias biológicas a condiciones óptimas y para estudios fisiológicos. Los tipos de biorreactores para cultivo continuo son los de tipo Tanque Completamente Agitado (CSTR), que comprenden al quimiostato y al turbiostato, y el de tipo Tubo Fijo con Flujo Tapón (PFR). Existen diferentes modos de operar fermentadores continuo: Quimostato (Perfectamente agitado, CSTR, RPA): Si el biorreactor está bien mezclado, la corriente de producto que sale del bio-reactor posee la misma composición que el líquido presente en el interior del reactor.

Ecuación de balance de masa

donde re y rs: Densidad de entrada y salida Supuestos: o Las densidades se mantienen constantes: re = rs o El sistema opera en estado estacionario, entonces no hay acumulación.

Flujo Pistón: Hay un frente de reacción que avanza a lo largo del reactor. Se le llamó Quimostato dado que la composición química y biológica del medio se mantiene constante, para ello se debe controlar el volumen del líquido, el pH del medio, el suministro continuo de O2 (o aire), en el caso de sistemas aeróbicos, un nivel de agitación adecuado y la temperatura, para un crecimiento óptimo El primer experimento se llevó a cabo en 1949 por Monod.

Con esto Fe = Fs = F Fe y Fs: Flujos Volumétricos de entrada y salida so,xo y po: Concentración de sustrato, biomasa y producto a la entrada. s,x y p: Concentración de sustrato, biomasa y producto a la salida y al interior del fermentador o biorreactor.

Ejemplo de aplicación: En cultivo continuo muchos metabolitos secundarios son producidos en forma paralela con el crecimiento bacteriano y con velocidades mayores o iguales a las observadas en cultivo batch. Ejemplos son la producción de shikonina y taxol.

Fuentes de Información: Diseño de biorreactores y enzimología. (2016). Google Books

Biorreactor de columna de burbujas (BCB) Este tipo de biorreactor carece de un sistema de transmisión mecánica para mezclar el caldo de cultivo, es básicamente un contenedor cilíndrico con un eyector de gas en el fondo. Este gas es expulsado en forma de burbujas ya sea hacia una fase diluida o una suspensión solida diluida. Generalmente 2 modos de operación son válidos en los biorreactores de columna de burbujeo: el modo continuo y el semi-continuo. En el modo continuo el gas y la suspensión fluyen simultáneamente hacia la columna y la suspensión que deja la columna es reciclada hacia el tanque de alimentación, además de que la velocidad superficial del liquido es mantenida siendo menor a la velocidad superficial del gas en por lo menos un entero. En el modo semi-continuo, la suspensión es estacionaria, es decir que no hay adición constante de líquidos mientras existe el burbujeo constante.

Ejemplo de aplicación:

Ilustración de un biorreactor

Son especialmente usados en procesos que involucran reacciones tales como oxidación, cloración, alquilación, polimerización e hidrogenación, en la producción de combustibles sintéticos a través de un proceso de conversión de gas, y en reacciones bioquímicas tales como fermentación y tratamiento de aguas residuales.

A) Columna de burbujas simple. B) Columna de burbujas en cascada con platos perforados. C) Columna de burbujas empaquetada. D) Columna de burbujas de eje múltiple, y D) Columna de burbujas con mezcladores estáticos.

 Biorreactores con mezcla pneumática (columnas de burbujeo): A) Columna de burbujeo; B) Reactor con recirculación de gran tamaño; C) Reactor con recirculación externa; D) Reactor con recirculación con pared divisoria; E) Reactor con recirculación de flujo hacia abajo; F) Columna de burbujeo con platos perforados; G) Columna de burbujeo con mezcladores estáticos; H) Reactor con recirculación por etapas; I) Columna de burbujeo pulsante con deflectores

Fuentes de Información: Bioquímica Aplicada Bioquímica Aplicada. (2016). Google Books.

Biorreactor de tanque neumático (Airlift) Los reactores de tipo Airlift toman ventaja de la inyección de una corriente gaseosa (generalmente aire) para proporcionar el mezclado y una transferencia de sustancias gaseosas con la fase líquida, el diseño específico de los biorreactores Airlift causan que el líquido circule entre dos zonas interconectadas conocidas como la zona elevada y la zona descenso. La zona elevada y la zona de descenso permiten la circulación del líquido por un separador líquido-gas en la parte superior. El aire es inyectado por debajo de la zona elevada y la eliminación del gas en el separador genera un gradiente de densidad entre la zona elevada y la zona de descenso, causando la circulación del líquido. La función del separador de gas es apoyar la liberación eficiente de líquido-gas, las fracciones de gas introducidas en la sección bajante dependen del diseño y de las variables operacionales, este tiene un efecto significativo en el desempeño (rendimiento) del reactor Hidrodinámica líquido-gas Las retenciones del gas tienen influencias cruciales en la circulación del líquido, la transferencia de masa, el volumen total del reactor, el área de contacto liquidogas. El volumen de un airlift depende del conjunto máximo de retención de gas que puede ser acomodado dentro del reactor. Propiedades del fluido como: tensión superficial, densidad, viscosidad, fuerza iónica y las variables de diseño como el radio ,Ad/Ar o hL pueden afectar la retención del gas y la distribución del tamaño de la burbuja. Estas variables disminuyen como resultado del incremento de la velocidad de circulación del líquido. Los valores de la retención de gas para las zonas elevadas y bajas son importantes porque su diferencia constituye la fuerza de majeño (fuerza motriz) para la circulación del líquido. Esta diferencia está determinada por la geometría del reactor.

a) Esquema del biorreactor mostrando la sección de flujo ascendente a través del tubo concéntrico interno, así como la sección de flujo descendente a través del espacio anular entre los cilindros, creándose un patrón de flujo principal en la dirección axial. b) Biorreactor airlift con recirculación interna usado para el cultivo sumergido del nematodo entomopatógeno, Steinernema carpocapsae CABA01.

Ejemplo de aplicación: Producción de cerveza, el ácido cítrico y la biomasa de la levadura, bacterias y hongos, para el tratamiento de aguas residuales y producciones de productos químicos de alto valor (enzimas, antibióticos y proteínas), producción de biocombustibles a través de aceite de algas o la biomasa de algas

Fuentes de Información: Bioquímica Aplicada Bioquímica Aplicada. (2016). Google Books.

Biorreactor de fibras huecas (BRFH) Los reactores de fibra hueca son los dispositivos más utilizados para inmovilizar y concentrar cultivos celulares animales. Su diseño consiste en una batería de fibras hueca y porosa en su interior, colocadas en paralelo. Las células se concentran y aumenta la densidad celular, en los intersticios de las fibras huecas. El medio de cultivo fluye en contrasentido desde el exterior del reactor o a través de una carcasa como si fuera un intercambiador de calor de doble tubo. Para solventar el problema de la escasa transferencia de masa (nutrientes y OD) dentro de la fibra hueca, un diseño novedoso es el tambor rotativo en el cual, el tambor externo rota sobre la batería de fibras huecas, generando una circulación constante de masa y de momentun, aumentando las tazas de transferencia.

Ilustración de un biorreactor

Las fibras huecas son membranas tubulares con tamaños de poros que van desde 10 kD a 0.3μm, Las células crecen en y alrededor del área de superficie proporcionada por la red de fibras huecas. Cuando introducimos los medios de cultivo las fibras huecas permiten que el oxígeno y nutrientes sean suministrados a las células mientras que los productos metabólicos de desecho son eliminados. El proceso aumenta la acumulación de los factores de crecimiento secretados por células necesarias para el crecimiento óptimo, debido a la prestación eficiente del sistema de medios de comunicación y la eliminación de los residuos los cultivos pueden mantenerse durante 6 meses o más. Las fibras huecas se pueden hacer de acetato de celulosa con una matriz de pared uniforme, polímeros acrílicos o fibras polisulfonadas con figuraciones de pared asimétricas. Estas crisis huecas tienen una superficie altamente porosa de casi 70 um de grosor, en la cual atracanlas células por enlaces y un lumen cilindrico de aproximadamente 200 prn.

Ejemplo de aplicación: Los reactores de fibras huecas han sido ampliamente usados para la inmovilización de células microbiales y mamíferas. También se usa la microencapsulación de célula de plantas mediante microcápsulas de membranas poliméricas (poliestireno, nylon, polilisina-alginato).

Fuentes de Información: Bioquímica Aplicada Bioquímica Aplicada. (2016). Google Books.

Biorreactor de cama empacada El empaquetamiento celular es una forma menos drástica de inmovilización que el Biorreactor de fibras huecas; pues ésta es parcial. También tiene el objetivo de aumentar la concentración y la densidad celular; pero al no estar enclaustradas las células, la transferencia de masa es mayor, aunque siempre limitada. Un lecho empacado es una matriz de soporte sólido que retiene las células, bien por geometría (dentro de los intersticios o espacios huecos de la matriz), bien por afinidad (paso o adherencia selectiva). Un biorreactor con este propósito debe contener un lecho de soporte sólido, sumergido en el medio de cultivo. La oxigenación generalmente se realiza en el exterior del lecho, a través del medio de cultivo.

El uso de biorreactores tubulares de cama empacada enzimas o microorganismos inmovilizados) para algunos sistemas biológicos permiten mayor estabilidad térmica. Uso de un mayor volumen celular, más eficiencia en la extracción de productos y velocidades de flujo mayores. Ejemplos de operaciones de procesos biológicos con reactores tubulares son: remoción de contaminantes de efluentes industriales, producción de antibióticos y la producción de etanol Los reactores catalíticos de cama empacada son excepcionalmente ricos en problemas de inestabilidad y bifurcación. Lo cual se puede deber a: multiplicidad isotérmica. Multiplicidad térmica, y multiplicidad debido a la configuración del reactor. El estado estable de sistema abierto, como el reactor tubular, depende del régimen de flujo, de las velocidades de reacción. y del tamaño del sistema.

Ilustración de un biorreactor

El mecanismo por el cual el calor o la masa se dispersan en una cama empacada a través de la cual un fluido está fluyendo ha sido objeto de una gran atención. Se ha supuesto que la dispersión de calor y masa en la dirección axial y radial es un proceso difusional sobre-impuesto al flujo convectivo. de esta forma el efecto global se describe por un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales parabólicas segunda derivada en el término dispersivo de calor y de masa).

Fuentes de Información: Bioquímica Aplicada Bioquímica Aplicada. (2016). Google Books.

Biorreactor de Lecho Fluidizado La característica distintiva de un biorreactor de lecho fluidizado es que el lecho de sólidos o partículas catalíticas está soportado por un flujo de gas. Este reactor facilita la carga y la extracción del catalizador, lo cual es una ventaja cuando el lecho de sólidos debe ser eliminado y remplazado con frecuencia. Una alta conversión con un gran flujo es posible con este estilo de reactor. Estos reactores tienen una excelente transferencia de calor y las características de mezclado. Los lechos fluidos han sido muy usados en los procesos químicos, en los que los parámetros como la difusión o transferencia de calor son los principales parámetros de diseño. En comparación con el lecho empacado, un lecho fluidizado tiene ventajas notables, como un mejor control de la temperatura, sin punto caliente en el lecho, distribución uniforme del catalizador y una mayor duración del catalizador. La conveniencia de usar lechos fluidos depende del logro de una buena mezcla entre los sólidos y el líquido de suspensión. Casi todas las aplicaciones comerciales importantes de tecnología de lecho fluidizado son de sistemas gas-sólidos.

Ejemplo: Los cultivos de células animales requieren de proximidad mutua y de un soporte sólido (anclaje) para interactuar (comunicación célula-célula) y poder metabolizar (producir); esto por cuanto, las células animales, por lo general, no son independientes y deben estar unidas a un sistema (p.ej; hepático) para funcionar adecuadamente. Para suministrar esa proximidad y el soporte necesario, los diseños de biorreactores para células animales deben aumentar la densidad celular (concentrar) de las células en cultivo. Una forma de hacerlo es incorporar un lecho fluidizado formado por cantidad de microesferas acarreadoras hechas de material cerámico poroso inerte que, por su tamaño (micrométrico) forman una interfase con el medio de cultivo (fluido) que permite la transferencia de masa (nutrientes y OD), energía (calor) y momentun (agitación) entre el medio de cultivo y las células en cultivo; lo que es llamado lecho fluidizado. Los cultivos celulares animales, por la delicada naturaleza de las membranas plasmáticas requieren además de oxígeno disuelto (OD) en el medio de cultivo (tamaño de Kolmogorov de los Eddies) y de un régimen de agitación laminar (Re≤2300).

Biorreactor de lecho fluidizado utilizando loofa como soporte. (1) Camas de esponja de loofa, (2) medio de cultivo, (3) difusor de aire, (4) entrada de aire, (5) Entrada de agua, (6) salida de agua Fuentes de Información: Bioquímica Aplicada Bioquímica Aplicada. (2016). Google Books.

Biorreactor de Biomasa en Suspensión (Lodos Activados) En este tipo de reactor las células están suspendidas y se pueden mezclar libremente en el fluido, bien sea como células individuales o en forma de agregados. La principal ventaja es proporcionar un ambiente de cultivo uniforme para las células. Una de sus principales desventajas es el relativo bajo control sobre el tamaño de agregado de las células. Se requiere cierto grado de agregación (contacto célula-célula) y puede ser necesaria la diferenciación celular para la producción de los metabolitos secundarios. Cuando los agregados formados son grandes, los niveles de nutrientes en el centro de los agregados pueden no ser adecuados para soportar la actividad metabólica. El tamaño de los agregados puede cambiar durante un cultivo batch, dependiendo del esfuerzo de corte y otros parámetros como la concentración de iones calcio y la concentración de compuestos de carbono El lodo activado es un proceso de tratamiento por el cual el agua residual y el lodo biológico (microorganismos) son mezclados y aireados en un tanque denominado reactor. Los flóculos biológicos formados en este proceso se sedimentan en un tanque de sedimentación, lugar del cual son recirculados nuevamente al tanque aireador o reactor. En el proceso de lodos activados los microorganismos son completamente mezclados con la materia orgánica en el agua residual de manera que ésta les sirve de sustrato alimenticio. Elementos básicos de las instalaciones del proceso de lodos activados:  Tanque de aireación. Estructura donde el desagüe y los microorganismos (incluyendo retorno de los lodos activados) son mezclados.  Tanque sedimentador. El desagüe mezclado procedente del tanque es sedimentado separando los sólidos suspendidos (lodos activados), obteniéndose un desagüe tratado clarificado.  Equipo de inyección de oxígeno. Para activar las bacterias heterotróficas.  Sistema de retorno de lodos. El propósito de este sistema es el de mantener una alta concentración de microorganismos en el tanque de aireación.  Una gran parte de sólidos biológicos sedimentables son retornados al tanque de aireación.  Exceso de lodos y su disposición. El exceso de lodos, debido al crecimiento bacteriano en el tanque de aireación, son eliminados, tratados y dispuestos. Fuentes de Información: Bioquímica Aplicada Bioquímica Aplicada. (2016). Google Books.

Biodegradación aeróbica de hidrocarburos Degradación de hidrocarburos alifáticos en presencia de oxigeno: Los microorganismos que utilizan hidrocarburos como sustrato deben de tener enzimas denominadas monooxigenasas que son dependientes de oxígeno. Para que los microorganismos puedan degradar alcanos primero deben de oxidar con oxígeno el último carbono de la molécula gracias al complejo multienzimático que no hacen más que incorporar esta molécula de oxígeno. Así se obtiene un hidrocarburo con un grupo alcohol siendo así una molécula más reactiva. Mediante otras enzimas este grupo alcohol se oxida más hasta grupo aldheído y finalmente carboxílico. Así se obtiene una molécula similar a un ácido graso y puede ser degradado a acetil-CoA por b-oxidación. Sin duda la especie con más posibilidades y la más estudiada en el campo es Pseudomonas.

Degradación de hidrocarburos aromáticos en presencia de oxigeno: Los microorganismos que utilizan estos compuestos aromáticos como fuente de carbono, en lugar de utilizar monooxigenasas, utilizan vías bioquímicas llamadas vías altas o periféricas que consisten en modificar los diferentes anillos aromáticos absorbidos en protocatecuato y catecol. A partir de estas dos moléculas que convergen todos los compuestos, ya se puede llevar a cabo el rompimiento del anillo mediante enzimas específicas. Esta segunda fase en la degradación seria lo que se conocería como vías bajas. A nivel génico, los genes que intervienen en las vías bajas suelen encontrarse a nivel cromosómico. Sin embargo los genes que intervienen en las vías altas debido a su gran variedad, suelen codificarse en plásmidos, aumentando así la probabilidad de adquirir nuevas vías por transferencia génica horizontal.

Fuentes de Información: Manual sobre la contaminación ocasionada por hidrocarburos Manual sobre la contaminación ocasionada por hidrocarburos. (2016). Google Books

Biodegradación anaeróbica de hidrocarburos El hecho que en todos los ambientes donde los hidrocarburos naturales se forman el oxígeno no está presente, ha hecho pensar a la comunidad científica que los hidrocarburos no podrían ser degradados anaeróbicamente. Pero a finales de 1980s se descubrieron algunos microorganismos que si tenían cierta actividad degradadora bajo condiciones totalmente extrictas. Este conocimiento es tan reciente que aún no se comentan ni en los libros de textos más especializados en el tema ni siquiera la posibilidad. Actualmente se está trabajando mucho en este insólito campo por la importancia que tiene y las aplicaciones potenciales que pueda tener en la biorremediación.

Hay que tener en cuenta que en la mayoría de los lugares contaminados donde se quiere aplicar estas técnicas de biorremediación hay condiciones anoxigénicas o de seguida se consume el oxígeno. Lo que se hacía hasta ahora en estas situaciones es insuflar aire en estos ambientes mediante una bomba para favorecer la degradación aeróbica. Evidentemente esta técnica hace encarecer el proceso aparte que a veces la difusión de oxigeno no puede ser posible. Los pocos estudios realizados hasta ahora han desvelado que los mecanismos de degradación en estas condiciones son totalmente diferentes a los utilizados en presencia de oxigeno excepto la b-oxidación que también se da en condiciones anóxicas. En general se dan procesos de reducción o condensación con otras moléculas para activar primero los compuestos.

. En todas las reacciones en quimiótrofos , una parte del hidrocarburo se oxida para conservación de la energía (catabolismo ) y otra parte se asimila en la masa celular . En la oxidación aeróbica de hidrocarburos de cadena larga (superior derecha), el oxígeno no es sólo el aceptor terminal de electrones, sino que también es necesario para la activación del sustrato (reacciones oxigenasa). Las vías anaeróbicas implican nuevos mecanismos de activación de hidrocarburos que difieren completamente de los mecanismos aeróbicos. Las flechas indican la activación de hidrocarburos dentados

Fuentes de Información: Manual sobre la contaminación ocasionada por hidrocarburos Manual sobre la contaminación ocasionada por hidrocarburos. (2016). Google Books

Biodegradación aeróbica de compuestos alifáticos halogenados Muchos compuestos xenobióticos habituales en operaciones industriales, actividades urbanas o en explotaciones agrícolas, son persistentes en el medio ambiente y pueden llegar a causar graves problemas de contaminación. Ejemplos son: o Pesticidas organoclorados, organofosfatados, nitrofenólicos y nitrocresólicos o Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAH) o Hidrocarburos Alifáticos Clorados (CAH) o Hidrocarburos Aromáticos Clorados o Hidrocarburos Aromáticos Nitrados Las razones de su persistencia son:

COMETABOLISMO Los microorganismos han sido siempre conocidos por tener la habilidad de transformar moléculas orgánicas en productos orgánicos que se acumulan en un medio de cultivo. Estas conversiones han dado lugar a una prominente microbiología industrial por la importancia de los productos que se han generado, especialmente agentes farmacéuticos. La primera evidencia de transformaciones análogas con elementos químicos importantes, desde el punto de vista ambiental, surgió de un estudio de ácidos alifáticos clorurados. La transformación de un compuesto orgánico por un microorganismo que es incapaz de usar el substrato como fuente de energía o como un elemento nutritivo esencial, se denomina cometabolismo. Esto da lugar a poblaciones activas que obtienen beneficios no nutricionales de los substratos que cometabolizan.

Químicas: sustituyentes extraños (Cl o otros halógenos), enlaces inusuales (carbonos cuaternarios), anillos aromáticos muy condensados o excesivos tamaños moleculares (plásticos).

Hay que destacar dos tipos de reacciones que se dan en cultivos puros de bacterias:

Físicas: insolubilidad.

En uno, el compuesto cometabolizado es transformado sólo en presencia de un segundo substrato, que realmente será el compuesto que da lugar al crecimiento. Para heterótrofos, el substrato que aporta energía es orgánico. Para autótrofos, es inorgánico.

Biologicas (Celulares): carencia específicas, toxicidad, etc.

de

permeasas

En la otra reacción, el compuesto esta metabolizado incluso en ausencia de un segundo substrato. Los organismos que llevan a cabo estas reacciones cometabólicas en laboratorio son Pseudomonas, Acinetobacter, Nocardia, Bacillus, Mycococcus, Achromobacter, etc. Existe un gran número de conversiones, reacciones y productos asociados con el cometabolismo. SINTROFÍA El sintrofismo es la asociación en la que el crecimiento de un organismo depende de la mejora con los factores de crecimiento, nutrientes o substratos aportados por otro organismo que vive cerca. A veces, ambos se benefician. Este tipo de mutualismo se denomina también alimentación cruzada o fenómeno del satelitismo. Un ejemplo clásico de dicha sintrofía es la que muestran Enterococcus faecalis y Escherichia coli. Ninguno de los dos organismos por separado puede convertir la arginina en putrescina. E. faecalis es capaz de transformar la arginina en ornitina, que E. coli utiliza para producir putrescina; E. coli puede usar la arginina y producir agmatina, pero no puede obtener putrescina sin ayuda. Una vez que se ha producido la putrescina, E. coli y E. faecalis pueden usarla

Fuentes de Información: Principios de ecotoxicología Principios de ecotoxicología. (2016). Google Books.

Biodegradación aeróbica de compuestos aromáticos halogenados Los solventes halogenados son degradados en condiciones aeróbicas y anaeróbicas. La dehalogenación reductiva de un halógeno a la vez, puede ser utilizada como fuente única de carbono. Las dehalogenasas reductoras usan la decloracion reductiva, mientras las alquil succinato sintetasas usan la adición de fumarato Los hidrocarburos saturados y todos los hidrocarburos aromáticos, incluido el benceno, tienen un proceso de biodegradación anaeróbica que tiene que pasar por una activación inicial que puede ser carboxilación, metilación, hidroxilación o adición de fumarato, donde la ruta mas utilizada es la adición de fumarato.

a-d) adición de fumarato, e) hidroxilación, f) carboxilación (Widdel & Rabus, 2001). A estos mecanismos ha de agregarse la metilación (CH3)

Los procesos posteriores dependen del organismo que realice la biodegradación del hidrocarburo específico, requiere de mecanismos enzimáticos específicos, muchos de los cuales no se han dilucidado completamente. Por su parte, la presencia de los grupos nitro en el anillo de los compuestos nitroaromáticos dificulta el ataque oxidativo y favorece el mecanismo reductivo. La presencia de dos o más grupos nitro determina una mayor resistencia a la oxidación. Dos procesos se pueden llevar a cabo, bien sea la reducción del anillo mediante la adición de iones hidruros, o bien a la reducción de grupo nitro para obtener los derivados: nitroso, hidroxilamino o amino. El nitrito o el amonio liberado del anillo aromático por vías degradativas pueden ser utilizados como fuente de nitrógeno para el crecimiento bacteriano Fuentes de Información: Principios de ecotoxicología Principios de ecotoxicología. (2016). Google Books.

Sistemas de Lagunas Una laguna de estabilización es, básicamente, una excavación en el suelo donde el agua residual se almacena para s u tratamiento por medio de la actividad bacteriana con acciones simbióticas de las algas y otros organismos. Cuando el agua residual es descargada en una laguna de estabilización se realiza en forma espontánea un proceso de autopurificación o estabilización natural, en el que tienen lugar fenómenos de tipo físico, químico y biológico. los aspectos fundamentales del proceso de tratamiento del agua que se lleva a cabo en las lagunas de estabilización son: o o

o o

o

Es un proceso natural de autodepuración La estabilización de materia orgánica se realiza mediante la acción simbiótica de bacterias, algas, y otros organismos superiores. Se presentan, procesos físicos de remoción de materia suspendida. Se efectúan cambios químicos en la calidad del agua que, entre otros aspectos, mantienen las condiciones adecuadas para que los organismos puedan realizar la estabilización, transformación, y remoción de contaminantes orgánicos biodegradables y, en algunos casos, nutrientes. Se establecen cadenas tróficas y redes de competencia que permiten la eliminación de gran cantidad de microorganismos patógenos que se encuentran presentes en las aguas, residuales. Por lo tanto, las lagunas de estabilización se consideran y se pueden proyectarse como un método de tratamiento de la materia orgánica y de remoción de los patógenos presentes en el agua residual.

Lagunas de estabilización anaerobias Las lagunas anaerobias son profundas y mantienen condiciones anóxicas y anaerobias en todo el espesor de la, misma. Esto es parcialmente cierto ya que en un pequeño estrato superficial se encuentra oxígeno disuelto (menos de 50 cm) dependiendo de la acción del viento, la temperatura y la carga orgánica. En general, la zona superior tiene una influencia insignificante en la dinámica microbiana del medio acuático. Con el tiempo se forman natas por arriba del agua residual lo cual evita la presencia de las algas debido a la ausencia de luz solar e impide la difusión de oxigeno del aire. Normalmente, el efluente de estas lagunas es descargado a otra unidad para complementar el proceso de tratamiento y oxigenar el efluente. La estabilización de la materia orgánica se realiza mediante un proceso combinado de sedimentación y de conversión biológica de los desechos orgánicos en gases (CH4, CO2 y H2S) y nuevas células. En las lagunas anaerobias, la degradación se realiza a través de las bacterias formadoras de ácidos orgánicos y de bacterias metanogénicas. Las primeras, convierten los compuestos orgánicos complejos en moléculas sencillas. Estos productos de degradación ácida son sustrato para las bacterias metanogénicas, que convierten el material a metano y dióxido de carbono. En las lagunas anaerobias, por su dimensión no es común recuperar el metan o como fuente energética. El desazolve es más frecuente en este tipo de lagunas (comparado con las facultativas), por ello, se diseñan para limpiarlas cada 2 a 4 años de operación. Lagunas de estabilización facultativas Una laguna facultativa se caracteriza por presentar tres zonas bien definidas. La zona superficial, donde las bacterias y algas coexisten simbióticamente como en las lagunas aerobias. La zona del fondo, de carácter anaerobio, donde los sólidos se acumulan y son descompuestos, fermentativamente. Y por último una zona intermedia, parcialmente aerobia y parcialmente anaerobia, donde la descomposición de la materia orgánica se realiza mediante bacterias aerobias, anaerobias y facultativas

Fuentes de Información: Tratamiento de aguas residuales Tratamiento de aguas residuales. (2016). Google Books.

Proceso de Lodos activados El lodo activado es un proceso de tratamiento por el cual el agua residual y el lodo biológico (microorganismos) son mezclados y aireados en un tanque denominado reactor. Los flóculos biológicos formados en este proceso se sedimentan en un tanque de sedimentación, lugar del cual son recirculados nuevamente al tanque aireador o reactor. En el proceso de lodos activados los microorganismos son completamente mezclados con la materia orgánica en el agua residual de manera que ésta les sirve de sustrato alimenticio. Es importante indicar que la mezcla o agitación se efectúa por medios mecánicos superficiales o sopladores sumergidos, los cuales tiene doble función 1) producir mezcla completa y 2) agregar oxígeno al medio para que el proceso se desarrolle. Elementos básicos de las instalaciones del proceso de lodos activados: 

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 

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Tanque de aireación. Estructura donde el desagüe y los microorganismos (incluyendo retorno de los lodos activados) son mezclados. Tanque sedimentador. El desagüe mezclado procedente del tanque es sedimentado separando los sólidos suspendidos (lodos activados), obteniéndose un desagüe tratado clarificado. Equipo de inyección de oxígeno. Para activar las bacterias heterotróficas. Sistema de retorno de lodos. El propósito de este sistema es el de mantener una alta concentración de microorganismos en el tanque de aireación. Una gran parte de sólidos biológicos sedimentables son retornados al tanque de aireación. Exceso de lodos y su disposición. El exceso de lodos, debido al crecimiento bacteriano en el tanque de aireación, son eliminados, tratados y dispuestos.

Operación básica 1) Pre-tratamiento/ajuste de aguas residuales En algunos casos las aguas residuales deben ser acondicionadas antes de pasar al proceso de lodos activados, esto es debido a que ciertos elementos inhiben el proceso biológico. Algunos de estos casos son: o Sustancias dañinas a la activación microbiana, tal como la presencia de cloro. o Grandes cantidades sólidos. Se utilizan cribas o rejas en un tanque de sedimentación primaria para los sólidos fácilmente sedimentables o Aguas residuales con valores anormales de pH. Se debe realizar un proceso de neutralización el cual es indispensable para el desarrollo bacteriano. o Desagües con grandes fluctuaciones de caudal y calidad de las aguas residuales incluyendo concentración de DBO. Se homogeniza las aguas en un tanque de igualación

2) Remoción de DBO en un Tanque de Aireación Las aguas residuales crudas mezcladas con el lodo activado retornado del tanque sedimentador final es aireado hasta obtener 2 mg/l de oxígeno disuelto o más. En este proceso, una parte de materia orgánica contenida en los desagües es mineralizada y gasificada y la otra parte es asimilada como nuevas bacterias. 3) Separación sólido – líquido en el Tanque de Sedimentación Los lodos activados deben ser separados del licor mezclado provenientes del tanque de aireación. Este proceso se realiza en el tanque de sedimentación, concentrándolos por gravedad. La finalidad de este proceso es conseguir un efluente clarificado con un mínimo de sólidos suspendidos y asegurar el retorno del lodo. Descarga del exceso de lodos Para mantener la concentración de los lodos activados en el licor mezclado a un determinado valor, una parte de los lodos son eliminados del sistema a lechos de secado o espesadores con filtros mecánicos (filtros prensa, de cinta etc.) para posteriormente disponer el lodo seco como residuo sólido.

Fuentes de Información: Tratamiento de aguas residuales Tratamiento de aguas residuales. (2016). Google Books.

Proceso de Filtros Percoladores Un filtro percolador es una cama de grava o un medio plástico sobre el cual se rocían las aguas negras pretratadas. En este sistema de filtro percolador, los microorganismos se apegan al medio del lecho y forman una capa biológica sobre éste. A medida que las aguas negras se percolan por el medio, los microorganismos digieren y eliminan los contaminantes del agua. El filtro percolador era una tecnología comúnmente usada para tratar las aguas negras municipales antes de que las ciudades empezaran a usar el sistema de aireación de lodo activado. Cada sistema de filtro percolador tiene varios componentes: ✓ Un tanque séptico, que elimina los sólidos que se asientan y flotan de las aguas negras. ✓ Un tanque de dosificación/ clarificador. Es un tanque de hormigón o de fibra de vidrio que permite que los materiales biológicos se sedimenten del agua. También tiene una bomba para dosificar el agua por encima del filtro. ✓ Un filtro percolador. Es un tanque con algún tipo medio, ya sea de grava o de material plástico. Las aguas negras se distribuyen sobre el medio y fluyen hacia abajo a través de la superficie del medio en una capa fina. Luego, sale por abajo del tanque y fluye hacia el tanque de dosificación/ clarificador. ✓ Un sistema de aplicación al suelo. Distribuye el agua tratada por debajo de la superficie del suelo. Aunque los filtros percoladores son una tecnología sencilla para mejorar la calidad de las aguas negras, algunos fabricantes los venden ya armados. Las compañías instaladoras diseñan y construyen la mayoría de los filtros percoladores. Un filtro percolador puede reducir: Tratamiento Las aguas negras que se dosifican a un filtro percolador deben recibir pretratamiento, tal como el que se da en un tanque séptico. Los sólidos y las grasas deben eliminarse antes de rociar las aguas negras sobre el filtro percolador. Si no se sacan estos materiales, pueden cubrir la capa fina de microorganismos que crecen en el medio y matarlos.

✓ La demanda bioquímica de oxígeno (DBO5), que es la medición de la cantidad del oxígeno disuelto que necesitan los microorganismos para descomponer la materia orgánica. El nivel alto indica agua de mala calidad; un nivel bajo indica agua de buena calidad. El sacar los sólidos disueltos de las aguas negras permite bajar el nivel de DBO5. ✓ Los patógenos, u organismos que causan enfermedades. ✓ Los coliformes fecales, o bacteria de los desechos humanos o animales.

Los microorganismos sacan los nutrientes y materiales disueltos de las aguas negras, almacenándolos como alimento. A medida que crece la materia biológica, se vuelve demasiado grande para permanecer atada al medio y se suelta. Esta es transportada con el agua de regreso hacia el tanque de dosificación/clarificador. Allí se acumula en el fondo, formando una capa de lodo. En algunos sistemas, una bomba de lodo manda este material al tanque séptico donde se puede descomponer más.

Fuentes de Información: Bruce Lesikar y Juan Enciso Promotores Especialistas en Ingeniería Agrícola El Sistema Universitario Texas A&M

Proceso de Discos Biológicos Rotatorios En estas condiciones, el esfuerzo cortante producido por la rotación del soporte en el seno del líquido es suficiente para producir un desprendimiento. Se origina así un lodo que queda en suspensión y que generalmente se extrae mediante clarificadores secundarios El exceso de biomasa y la materia en suspensión biofloculada abandonan la unidad de biodiscos de manera conjunta con el agua tratada y, una vez desprendida la porción de película bacteriana, comienza en ese lugar el crecimiento de nueva biomasa, este proceso se produce de forma constante a lo largo del tiempo, el reactor autorregula el espesor de la biopelícula de forma natural. Los Biodiscos son procesos biológicos aerobios de biomasa fija. Consiste en una serie de discos (madera, polietileno corrugado, poliestireno corrugado y PVC) que suelen tener 3 m de diámetro y 1,5 mm de espesor y que giran en torno a un eje horizontal (aprox. 8 m de longitud, con 7.5 m ocupados por los discos), situados dentro de un recipiente lleno de agua residual. Los discos giran lentamente (1 - 4 rpm), manteniendo un 40 % de su superficie sumergida, están separados unos de otros entre 20-25 mm. Sobre el soporte se desarrolla gradualmente una película de biomasa bacteriana, que emplea como sustrato para su metabolismo la materia orgánica soluble presente en el agua residual. Cuando la superficie del disco se encuentra en contacto con el aire, la biomasa adherida al disco toma el oxígeno necesario para que durante el período de inmersión se produzca la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual. Se estima que el 95 % de la biomasa activa presente en el sistema se halla adherida, y el resto se encuentra en suspensión. La tipología de biofilms que se desarrolla es acorde al sustrato que llega, consiguiéndose así un progresivo aumento en el grado de depuración. Por último, el continuo crecimiento de la biomasa y la elevada concentración de sólidos en el sistema no hacen necesaria la recirculación de fangos, salvo que las cargas orgánicas sean mayores de 20 kg DBO5/m3 día.

La agitación producida por el giro del soporte dentro del líquido es suficiente para evitar la sedimentación de los lodos en el reactor. El espesor de la película bacteriana activa oscila entre 0,2 mm (para concentraciones bajas de sustrato), y 3 mm (para concentraciones elevadas). El crecimiento bacteriano de la película continúa hasta que su espesor es tal que ve dificultada la difusión de oxígeno hasta las capas bacterianas más profundas y estas entran en fase de respiración endógena, produciéndose fermentaciones y burbujeo gaseoso.

La unidad de biodiscos actúa como un reactor tipo flujo pistón, es decir, una partícula de fluido atraviesa el reactor y lo abandona en la misma secuencia que se introduce en él. Este proceso trabaja de manera satisfactoria a temperaturas entre 12ºC y 32ºC y a pHs entre 6.5 y 8.5.

Fuentes de Información: Cabrera, P. (2016). Tecnologías blandas (2): Contactores Biológicos Rotativos (CBR) o Biodiscos. - TecDepur. Tecdepur.com.

Proceso de Filtro Sumergido Aerobio (FSA) Un filtro sumergido es un sistema de tratamiento aerobio el cual hace uso de un soporte inerte y resistente (empaque) sumergido en el agua para que, en cuya superficie, los microorganismos (biomasa fija), responsables de la degradación de la materia orgánica contenida en el agua residual, se desarrollen. o La biomasa de microorganismos adherida estabiliza la materia orgánica conforme el agua residual entra en contacto con ella. o La biopelicula posee la capacidad de remoción de nitrógeno debido a que favorecen el crecimiento de largo tiempo de generación como las bacterias nitrificantes. o Se puede realizar un amplio espectro de remoción de contaminantes debido a la existencia de más especies de organismos comparada con los procesos de biomasa suspendida. o La capacidad de tratamiento por unidad de volumen es más grande que en los procesos de biomasa suspendida. o Eficiencia de operación estables o Supera los problemas de secado de biopeliculas parcialmente sumergidas operando en climas calientes (filtros percoladores). o Debido a la presencia de microorganismos adheridos y en suspensión, existe una buena interacción sustrato – microorganismos. o La aireación difundida proporciona suficiente oxigeno que mantiene la biomasa en una condición aerobia y promueve la transferencia de oxígeno, especialmente con aireación de burbuja fina.

Fuentes de Información: Anon (2016). Ibtech.com.mx.

Un filtro sumergido se puede concebir como una combinación de un sistema de biomasa fija con uno de biomasa en suspensión (lodos activados), esto debido a que en el empaque se encuentran adheridos los microorganismos y en los espacios no ocupados por el empaque existen bacterias en suspensión. En el caso de los microorganismos adheridos al medio, el tiempo de residencia celular (TRC) es mayor que el tiempo de residencia hidráulico (TRH), permitiendo así que existan microorganismos de mayor tiempo de generación, lo cual da por resultado la posibilidad de un más amplio espectro de remoción de contaminantes.

Fosas Sépticas Las fosas sépticas son dispositivos herméticamente cerrados y estancos, enterrados normalmente (aunque también existe la posibilidad de que estos no lo estén) en los cuales decanta la materia sedimentable presente en las aguas residuales. La fracción orgánica de esta materia sedimentada experimenta reacciones de degradación anaerobia, mineralizándose paulatinamente. El agua que se trata en estos sistemas es principalmente de tipo doméstica. Las fosas sépticas pueden tener uno o varios compartimentos dispuestos en serie, las más completas tienen 3 compartimentos, aunque también las hay de dos compartimentos, siendo esta última configuración la más común. En el primero se decantan las materias densas (lodos) y la materia ligera formando una espuma flotante. Luego el agua clarificada pasa por unos orificios a media altura al siguiente compartimento donde se produce el mismo proceso pero en menos cuantía. En las fosas se produce digestión anaerobia de los lodos, parte se licúan o volatilizan y otra parte se depositan siendo necesaria su retirada periódica (purga). La velocidad del proceso de digestión aumenta con la temperatura, hasta un máximo de 35 oC. Al producirse esta digestión de los lodos se produce una reducción del volumen de lodo, permitiendo que el funcionamiento de estas sea durante periodos de tiempo más largos. El porcentaje de eliminación de los sólidos por sedimentación variará según: Las burbujas de gases (metano y sulfuro de hidrógeno) que se producen en la degradación anaerobia de los lodos decantados, obstaculizan la normal sedimentación de los sólidos presentes en las aguas residuales influentes. Es por ello, por lo que se dispone de varios compartimentos, en los que las partículas más ligeras encuentran condiciones de sedimentación más favorables.

Tiempo de retención Frecuencia de limpieza de los tanques sépticos (extracción de lodos) Dispositivos de entrada y salida Se utilizan fosas sépticas para caudales menores de 40 m3/día (200 habequivalentes). En todos los casos la capacidad útil mínima de los tanques es de 4500 litros más el 75% de efluente diario de aguas residuales, y el tiempo de detención mínimo admisible es de 12 horas aproximadamente. Para lograr un correcto funcionamiento y solucionar cualquier tipo de problemas se tienen que tener en cuenta las siguientes consideraciones: El contenido de Nitrógeno Amoniacal no debe sobrepasar los 200 mg / l

No deben incorporarse residuos sólidos al vertido sobre fosas sépticas No es aconsejable el vertido de aguas de lavado que puedan contener fuertes concentraciones de detergentes o lejías. Esta técnica se usan como tratamiento previo, sustituyendo en muchas ocasiones al desbaste o tamizado, justo antes de los sistemas de filtrado (filtro de turba, filtro de arena, zanjas filtrantes, etc.) para conseguir eliminar una mayor cantidad de sólidos en suspensión de las aguas residuales y para retrasar la colmatación de los sistemas de filtrado posteriores. Estas técnicas rara vez se usan como tratamiento unitario. Su uso es muy recomendable para tratar aguas residuales de pequeños municipios o comunidades rurales.

El volumen de agua necesaria para la dilución en las fosas sépticas debe ser superior a 40 litros / habitante al día Es conveniente que las aguas provenientes de cocinas sean conducidas de forma previa a la cámara de retención de grasas

Fuentes de Información: Cabrera, P. (2016). Tecnologías blandas (12): Fosas sépticas. - TecDepur. Tecdepur.com.

Tanques Imhoff El diseño de los tanques imhoff dependerá fundamentalmente del tiempo de retención hidráulico (3 horas) y de la velocidad ascensional. Los rendimientos de eliminación de algunos contaminantes son los siguientes: sólidos en suspensión entre 3782% y DBO5 entre un 25-60%. Esta técnica se usan como tratamiento previo, sustituyendo en muchas ocasiones al desbaste o tamizado, justo antes de los sistemas de filtrado (filtro de turba, filtro de arena, zanjas filtrantes, etc.) para conseguir eliminar una mayor cantidad de sólidos en suspensión de las aguas residuales y para retrasar la colmatación de los sistemas de filtrado posteriores. Estas técnicas rara vez se usan como tratamiento unitario. Su uso es muy recomendable para tratar aguas residuales de pequeños municipios (poblaciones inferiores a 500 habitantes) o comunidades rurales. Ventajas

El tanque de decantación-digestión o los tanque Imhoff es un depósito único en el que se distinguen 3 compartimentos, pueden tener forma circular o rectangular, siendo esta última la más común. Las zonas en las que se divide son: 1. Cámara de sedimentación o decantación: se sitúa en la parte superior del depósito y se produce la separación solidoliquido, precipitando las partículas pesadas al fondo. Este primer compartimento tiene forma cónica con una pendiente de un 12% con una pequeña apertura en el fondo, pasando por gravedad los fangos al compartimento inferior.

No descargan lodo en el líquido efluente. El lodo se seca y se evacua con más facilidad que el procedente de los tanques sépticos, esto se debe a que contiene de 90 a 95% de humedad. Las aguas servidas que se introducen en los tanques imhoff, no necesitan tratamiento preliminar, salvo el paso por una criba gruesa y la separación de las arenas. No precisan instalación de ningún equipo mecánico y permiten caudales un poco más altos (100 m3/día) que las fosas sépticas. Posibilidad de reaprovechamiento del gas metano, para generar electricidad. Se pueden usar los lodos para hacer compost.

2. Cámara de digestión de lodos: es la parte de mayor dimensión del depósito donde se realiza la digestión anaerobia de los lodos, se sitúa en la parte inferior del depósito.

Contribuye a la digestión del lodo, mejor que un tanque séptico, produciendo un líquido residual de mejores características

3. Área de ventilación y cámara de natas: es el compartimento

Inconvenientes

del depósito donde se irá acumulando las grasas y residuos de menor densidad. La configuración de la apertura que comunica ambas zonas impide el paso de gases (metano y sulfuro de hidrógeno) y partículas de fango de la zona de digestión a la de decantación, de esta forma se evita que los gases que se generan en la digestión afecten a la sedimentación de los sólidos en suspensión. Estos fangos se retiran cada 6 meses. Por tanto los gases producidos en la digestión y sólidos suspendidos serán desviados hacia la cámara de natas o área de ventilación, desde esta cámara se recogen y se expulsan a la atmósfera.

Son estructuras profundas (> 6m). Generación de grasas y flotantes. Necesidad del tratamiento de sus afluentes posterior (filtro de arenas, zanjas filtrantes, etc.), ya que al ser un tratamiento anaerobio y contiene probablemente un elevado número de agentes patógenos los cuales son una fuente de infección y de problemas sanitarios no se debe usarse para regar cultivos ni descargarse en canales sino debe de ser tratada por un tratamiento secundario.

Fuentes de Información: Cabrera, P. (2016). Tecnologías blandas. Tanques Imhoff

Digestión Anaerobia La digestión anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de las aguas residuales. El proceso se caracteriza por la conversión de la materia orgánica a metano y de CO2. Es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica, como no hay presencia de un oxidante en el proceso, la capacidad de transferencia de electrones de la materia orgánica permanece intacta en el metano producido. En vista de que no hay oxidación, se tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la materia orgánica digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es convertida en lodo (3 a 10%). En las reacciones bioquímicas que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía libre es liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química en el metano producido.

Bacterias Hidrolíticas – Fermentativas Las bacterias que llevan a cabo las reacciones de hidrólisis y acidogénesis son anaerobias facultativas y los géneros más frecuentes que participan son los miembros de la familia Enterobacteriaceae, además los géneros Bacillus, Peptostreptococcus, Propionibacterium, Bacteroides, Micrococcus y Clostridium. Las bacterias con actividad proteolítica son en su mayoría especies de los géneros Clostridium, Peptococcus, Bifidobacterium y Staphylococcus. Bacterias Acetogénicas Para que tenga lugar una eficiente metanogénesis, los productos de fermentación como el propionato

y el butirato deben ser oxidados a acetato, CO2 y H2, esta oxidación es llevada a cabo por un grupo denominado “organismos acetógenos productores obligados de hidrógeno (OHPA)”, mediante un proceso conocido como acetogénesis. Syntrophomonas sapovorans, Dentro del grupo de acetógenos existe un grupo de bacterias conocidas como “bacterias homoacetogénicas” las cuales son anaerobias obligadas y utilizan el CO2, como aceptor final de electrones, produciendo acetato como producto único de la fermentación anaerobia. Ejemplos son: Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum y Acetobacterium wooddi Bacterias Metanogénicas Las bacterias metanogénicas pertenecen al grupo actualmente conocido como Archeaea, cuyos miembros presentan características diferentes a las encontradas en Bacteria. Las bacterias metanoogénicas son anaerobias estrictas y producen metano como principal producto del metabolismo energético.

Fuentes de Información: JENNY ALEXANDRA RODRÍGUEZ V. ING. SANITARIA Msc. Profesora Asociada de la Universidad el Valle. Cali - Colombia

Digestor Anaerobio de Alta Tasa La digestión anaerobia es un proceso microbiológico complejo que se realiza en ausencia de oxígeno, donde la materia orgánica es transformada a biomasa y compuestos orgánicos, la mayoría de ellos volátiles. Aunque es un proceso natural, sólo en los últimos veinticinco años ha llegado a ser una tecnología competitiva en comparación con otras alternativas. Esto ha sido posible gracias a la implementación de sistemas que separan el tiempo de retención hidráulico ( TRH ), del tiempo de retención celular ( TRC ) los cuales han sido denomin dos reactores de alta tasa. Durante este proceso también se obtiene un gas combustible (Biogas) y lodos con propiedades adecuadas para ser usados como bioabonos. Características generales:

Los digestores de alta tasa, se caracterizan por un mezclado al medio de la reacción, ya sea mediante agitación mecánica, por recirculación de gas o de líquido o una combinación de ambos. Esta variante de recirculación cuenta con un calentamiento que lleva a una temperatura a rangos mesófilos o termófilos. Frecuentemente se une con otro tanque o laguna, del mismo volumen con objeto de separar los lodos digeridos evacuados en el efluente del primer reactor. En los digestores de alta tasa, las cargas van de 1.6 a 3.2 kgSSV/dm3 , con tiempos de retención hidráulico de 10 a 20 días. El digestor anaerobio de alta tasa convencional es adecuado para altas concentraciones de material particulado. Además presenta una disminución a taponamientos, aunque el material particulado se puede sedimentar y acumular, ocasionando volúmenes muertos dentro del digestor y cortos circuitos hidráulicos.

o No posee material inerte como soporte para la biomasa. o La inmovilización de los microorganismos ocurre por auto adensamiento (formación de flóculos o gránulos densos suspendidos, que se disponen en capas de lodo a partir del fondo del reactor). o El flujo es ascendente y pasa a través del lecho de lodo denso. o La estabilización de la M. Orgánica ocurre en todas las zonas del reactor. o En la parte superior se ubica un sedimentador para evitar la salida de partículas de lodo con el efluente. o Debajo del sedimentador existe un dispositivo de separación de los gases. o Retención de grandes cantidades de biomasa, elevada actividad, incluso con la aplicación de bajos tiempos de retención hidráulica, se consigue mantener un elevado tiempo de retención de sólidos a pesar de la aplicación de altas cargas hidráulicas al sistema. El resultado es la obtención de reactores compactos, con volúmenes bastante inferiores a los digestores anaerobios convencionales y con una grado de estabilización de lodo.

Tiene un efecto diluyente sobre compuestos tóxicos y amortigua las cargas máximas imprevistas, además que homogeniza la temperatura, el pH y el sustrato. El mezclado para este tipo de reactor, se puede realizar con agitador o recirculación de gas comprimido, en forma continua o intermitente.

Fuentes de Información: Tratamiento de aguas industriales Tratamiento de aguas industriales. (2016). Google Books.

Reactor de Contacto Anaerobio La primera mejora del proceso anaerobio consistió en la separación del Tiempo de Retención de solidos (TRS) del Tiempo de Retención Hidráulico (TRH). Separando el TRS del TRH, el volumen del digestor se reduce y la densidad de carga orgánica o la velocidad de carga orgánica a tratar se incrementa. Por lo tanto, aguas residuales relativamente cargadas, pueden ser tratadas a bajos TRHs, pero manteniendo el TRS requerido para el desarrollo de bacterias metanogénicas. En este sentido, el primer proceso anaerobio que separó el TRS del TRH fue la digestión de contacto anaerobia, similar en su configuración al sistema de fangos activados. Este proceso comprende la alimentación continua de un reactor de mezcla completa seguido de un clarificador o separador sólido/líquido. Parte del lodo digerido y sedimentado se recircula al digestor, donde se mezcla con el influente no digerido. La reinoculación de una biomasa bien aclimatada permite mantener óptimas condiciones de funcionamiento del proceso, sobre todo en aguas residuales industriales. Estas a diferencia de la urbanas, no contienen generalmente un alta proporción de microorganismos. En este proceso la operación esencial es la separación sólido/líquido, lo cual ofrece serios problemas, dadas las características de este tipo de lodos, y el continuo desprendimiento de burbujas de gas que dificulta enormemente el proceso de separación, por lo que hay que recurrir previamente a sistemas de desgasificación. El uso de la técnica de stripping o el enfriamiento del influente digerido en su camino hacia el clarificador puede disminuir este problema. Una reducción en la temperatura de 35 a 15 ºC detiene la producción de gas en el clarificador y favorece la floculación de los sólidos. Esto último también puede conseguirse mediante el uso de coagulantes, tales como el hidróxido sódico seguido de cloruro férrico. También se utilizan membranas de ultrafiltración para conseguir una alta retención celular.

Los parámetro típicos de operación de este proceso son: o o o o

o

Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 2 - 10. Concentración en el interior (g SSV/l): 5 - 10. Concentración en el efluente (g SS/l): 0,5 - 20. Tiempo de retención hidráulico (d): 1 - 5. Tiempo de arranque (d): 20 - 60.

VENTAJAS - Arranque rápido con inóculo adecuado. - Se puede incorporar carbón activado en polvo para tratar aguas con compuestos inhibidores (los adsorben). - Soporta agua con sólidos suspendidos (estabiliza la fracción degradable). - Puede admitir aguas con compuestos que forman precipitados. Soporta sobrecargas orgánicas (mejor que otros reactores). DESVENTAJAS - Costos energéticos asociados al mezclado y recirculación. Operación relativamente delicada. - Limite para recibir cargas orgánicas (6 kg DQO/m3 d). - Grandes TRH, entonces grandes volúmenes de reactor. - Alta dependencia de la difícil sedimentación del lodo anaerobio

Fuentes de Información: Tratamiento de aguas industriales Tratamiento de aguas industriales. (2016). Google Books.

Filtro Anaerobio El filtro anaerobio de flujo ascendente o FAFA, es un componente ocasional de plantas de tratamiento. La función del filtro, también llamado reactor anaerobio tiene por finalidad reducir la carga contaminante de las aguas servidas. El agua servida es alimentada al filtro a través del fondo, construido de forma que permita distribuir el flujo en forma uniforme en toda la sección del filtro. El agua a ser tratada se hace pasar a través de un cuerpo poroso (piedra), llevándola al contacto con una fina biopelícula de microorganismos adheridos a la superficie, o floculados, donde se realiza el proceso de degradación anaerobia. Los filtros anaerobios generalmente operan, con una razonable eficiencia de remoción de carga contaminante, en el rango mesófilo de temperaturas, es decir, entre 25 y 38 °C Esta tecnología consiste en un tanque de sedimentación (o fosa séptica) seguido de una o más cámaras de filtración. Los materiales comúnmente usados para el filtro incluyen grava, piedras quebradas, carboncillo, o piezas de plástico formadas especialmente. El tamaño típico de los materiales del filtro varían entre 12 y 55 mm de diámetro. Idealmente, el material proporcionará entre 90 y 300 m2 de superficie por 1 m3 de volumen del reactor. Al proporcionar una gran superficie para la masa bacteriana, hay un mayor contacto entre la materia orgánica y la biomasa activa que la degrada efectivamente. El Filtro Anaeróbico puede ser operado ya sea con flujo ascendente o descendente. Se recomienda el modo de flujo ascendente porque hay un menor riesgo de que la biomasa fijada sea arrastrada. El nivel de agua debe cubrir el material del filtro por lo menos 0.3 m para garantizar un régimen de flujo regular. Los estudios han demostrado que el TRH es el parámetro de diseño más importante que afecta el desempeño del filtro. Lo normal y recomendable es un TRH de entre 0.5 y 1.5 días. Se ha demostrado que lo adecuado es una tasa de carga superficial máxima (p.ej. flujo por área) de 2.8 m/d. La eliminación de sólidos suspendidos y de DBO puede ser llegar hasta entre 85% a 90% pero nornalmente está dentro de 50% y 80%. La eliminación de Nitrógeno es limitada y normalmente no excede del 50% en lo que se refiere a nitrógeno total (NT).

Adecuación Esta tecnología es fácilmente adaptable y se puede aplicar a nivel vivienda o para un vecindario pequeño. Se puede diseñar un Filtro Anaeróbico para una sola vivienda o para un grupo de viviendas que usan una considerable cantidad de agua para lavado de ropa, baño y retretes de tanque. Sólo es apropiada si el uso de agua es elevado ya que ello garantiza que el suministro de agua es constante. El Filtro Anaeróbico no opera a toda su capacidad de seis a nueve meses después de la instalación debido al largo tiempo de arranque requerido por la biomasa para estabilizarse. Por lo tanto, la tecnología de Filtro Anaeróbico no debe ser usada cuando es inmediata la necesidad de una tecnología de tratamiento. Una vez trabajando a toda su capacidad, es una tecnología estable que requiere poca atención. El Filtro Anaeróbico debe ser hermético, aun así no debe ser construido en áreas de nivel freático alto o donde hay inundaciones frecuentes. Dependiendo de la disponibilidad de terreno y el gradiente hidráulico del drenaje (si es el caso), el Filtro Anaeróbico puede ser construido sobre o bajo tierra. Puede ser insta- lado en todo tipo de clima aunque su eficiencia se reduce en climas más fríos. Mantenimiento Se deben agregar bacterias activas para iniciar el Filtro Anaeróbico. Las bacterias activas pueden provenir de los lodos de una fosa séptica rociados en el material del filtro. Se debe incrementar el flujo con el tiempo, y el filtro debe trabajar a máxima capacidad de seis a nueve meses. Con el tiempo los sólidos taparán los poros del filtro. Asimismo, la masa creciente de bacterias será demasiado gruesa y se romperá y tapará los poros. Se requiere un tanque de sedimentación antes del filtro para evitar que la mayoría de los sólidos entren en la unidad. El taponamiento parcial aumenta la capacidad del filtro para retener sólidos. El filtro debe ser limpiado cuando baje su eficiencia. Los filtros se limpian haciendo funcionar el sistema en modo inverso para desbloquear la biomasa acumulada y las partículas. También se puede extraer y limpiar el filtro Fuentes de Información: Tratamiento de aguas industriales Tratamiento de aguas industriales. (2016). Google Books.

Reactor Anaerobio de Lecho de Lodos con Flujo Ascendente La abreviación U.A.S.B. se define como Upflow Anaerobic Sludge Blankett o Reactor Anaerobio de Manto de Lodos de Flujo Ascendente. Esta tecnología proveniente de Bélgica y Holanda, es aplicada especialmente al tratamiento de aguas residuales con alto contenido de materia orgánica. El reactor anaerobio de flujo ascendente y manto de lodo describe un reactor de biopelícula fija sin medio de empaque o soporte, con una cámara de digestión que tiene flujo ascendente y a cierta altura se desarrolla un manto de lodos anaerobios que es altamente activa y en el cual se da la estabilización de la materia orgánica del afluente hasta CH4 y CO2.

En la figura se muestra un esquema general de uno de estos reactores, donde se distinguen 4 zonas: La zona 1 se llama lecho del lodo. La zona 2 se llama la manta de lodo. La zona 3 es la zona de bajo nivel de turbulencia. La pieza 4 del diagrama sirve como sedimentador

La operación de los reactores UASB se basa en la actividad autorregulada de diferentes grupos de bacterias que degradan la materia orgánica y se desarrollan en forma interactiva, formando un lodo biológicamente activo en el reactor. Dichos grupos bacterianos establecen entre sí relaciones simbióticas de alta eficiencia metabólica bajo la forma de gránulos cuya densidad les permite sedimentar en el digestor. La biomasa permanece en el reactor sin necesidad de soporte adicional. Velocidad del flujo ascendente. Para aguas residuales más débiles, la velocidad permitida y la altura del reactor, determinará el volumen del reactor UASB y para para aguas residuales más fuertes, la velocidad será determinada por la carga volumétrica de DQO. Volumen del reactor y dimensiones. Deben considerase la carga orgánica, la velocidad superficial y el volumen efectivo de tratamiento para determinar el volumen requerido del reactor y sus dimensiones. El volumen efectivo de tratamiento es el volumen ocupado por el manto de lodo y de biomasa activa. Un volumen adicional existe entre el volumen efectivo y la unidad de recolección de gas donde se produce una cierta separación adicional de sólidos y la biomasa se diluye. Características físicas. Las principales características físicas que requieren una cuidadosa consideración son: la alimentación de entrada, la separación y recolección de gas (Los diseños de separación de entrada y el gas son únicos para el RAFA) y la retirada del efluente, para proveer una distribución uniforme y evitar el acanalamiento y formación de zonas muertas. Estos dos aspectos son muy importantes sobre todo cuando se tratan aguas residuales débiles, ya que se puede tener menor producción de gas y mezcla del manto de lodos Un número de tuberías de alimentación se colocan para dirigir el flujo a diferentes áreas en la parte baja del reactor. El acceso, debe proveer tuberías para la limpieza en caso de taponamiento. Recuperación de Gas y separación de sólidos El separador de gas/ sólidos (GSS) está diseñado para recolectar el biogás, previniendo el lavado de sólidos, fomentando la separación de partículas de gases y sólidos, para permitir que los sólidos se deslicen hacia atrás en la zona de manto de lodos, y ayudar a mejorar la eliminación de sólidos en el efluente. Una serie de pantallas en forma de V invertida se utiliza junto a vertederos de efluentes para lograr los objetivos mencionados Fuentes de Información: Tratamiento de aguas industriales Tratamiento de aguas industriales. (2016). Google Books.

Debido a la formación de flóculos de lodos granulados, la concentración en la zona más difusa, en la parte superior del manto de lodos del RAFA es de 5 a 40 g / L. En la la parte inferior del reactor, la concentración de sólidos puede variar de 50 a 100 g/ L. Las partículas de lodo granulado tienen un rango de tamaño de 1.0 a 3.0 mm. La granulación es muy efectiva en aguas residuales con alto contenido de carbohidratos o azúcares, pero no tanto con las aguas residuales con gran contenido de proteínas, las cuales tiene como resultando flóculos más suaves difíciles de sedimentar.

Reactores de Lecho Expandido o Fluidificado Técnicamente, un reactor FEB es una estructura cilíndrica, empaquetada hasta un 10% del volumen del reactor con un soporte inerte de pequeño tamaño lo que permite la acumulación de elevadas concentraciones de biomasa que forman películas alrededor de dichas partículas. La expansión del lecho tiene lugar gracias al flujo vertical generado por un elevado grado de recirculación. La velocidad ascensional es tal que el lecho se expande hasta un punto en el que la fuerza gravitacional de descenso es igual a la de fricción por arrastre.

La mayor parte de las ventajas atribuibles a este sistema derivan de la elevada concentración de biomasa activa sobre las partículas de soporte y las elevadas tasas de recirculación, lo que hace al digestor menos sensible a componentes tóxicos del influente. De ahí el interés de su uso en el tratamiento de aguas residuales industriales de diversos tipos

Tiene un medio granular que es mantenido en suspensión, como resultado de la resistencia friccional del flujo ascendente del agua residual. El medio granular usado inicialmente era arena, más tarde se demostró que los medios con una resistencia más baja (antracita, plásticos de alta densidad) son más adecuados, porque permiten una reducción en la velocidad del líquido, disminuyéndose así los costos de bombeo. El reactor de lecho expandido es similar al de lecho fluidizado, pero la velocidad del líquido en el primero es insuficiente para provocar la fluidización del lecho granular, el lecho se expande de 10 a 20%.

En este tipo de reactores, la formación de biomasa puede alcanzar los 30 kg/m3. La cantidad de material de soporte añadido es alrededor del 10% de volumen del digestor y el diámetro de las partículas es de 0,3 a 3,0 mm. La velocidad vertical necesaria es de 2 - 10 m/h y es generada por una elevada recirculación del efluente. La expansión del lecho es sostenida hasta un nivel en el que cada partícula mantienen una posición fija en el lecho. Los parámetros típicos de operación de este proceso son: o Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 5 - 50. o Concentración en el interior (g SSV/l): 10 - 30. o Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 5. o Tiempo de retención hidráulico (h): 1 - 10. o Tiempo de arranque (d): 30 - 70. Fuentes de Información: (c) 2001, 2004 Miliarium Aureum, S.L

Sistemas anaerobios de alta tasa o modernos para el tratamiento de aguas residuales.

Humedales Artificiales Los humedales artificiales son sistemas de fitodepuración de aguas residuales, que consisten en el desarrollo de un cultivo de macrófitas enraizadas sobre un lecho de grava impermeabilizado. La acción de las macrófitas hace posible una serie de complejas interacciones físicas, químicas y biológicas a través de las cuales el agua residual afluente es depurada progresiva y lentamente. El tratamiento de aguas residuales para depuración se lo realiza mediante sistemas que tienen tres partes principales: recogida, tratamiento y evacuación al lugar de restitución Los humedales construidos se han utilizado para tratar una amplia gama de aguas residuales: o Aguas domésticas y urbanas. o Aguas industriales, incluyendo fabricación de papel, productos químicos y farmacéuticos, cosméticos, alimentación, refinerías y mataderos entre otros. o Aguas de drenaje de extracciones mineras. o Aguas de escorrentía superficial agrícola y urbana. o Tratamiento de fangos de depuradoras convencionales, mediante deposición superficial en humedales de flujo subsuperficial donde se deshidratan y mineralizan Estos sistemas purifican el agua mediante remoción del material orgánico (DBO), oxidando el amonio, reduciendo los nitratos y removiendo fósforo. Los mecanismos son complejos e involucran oxidación bacteriana, filtración, sedimentación y precipitación química

Fuentes de Información: Tratamiento de aguas residuales Tratamiento de aguas residuales. (2016). Google Books.

Los humedales eliminan contaminantes mediante varios procesos que incluyen sedimentación, degradación microbiana, acción de las plantas, absorción, reacciones químicas y volatilización. Reemplazan así el tratamiento secundario e inclusive, bajo ciertas condiciones, al terciario y primario de las aguas residuales. El funcionamiento de los humedales artificiales se fundamenta en tres principios básicos: la actividad bioquímica de microorganismos, el aporte de oxígeno a través de los vegetales durante el día y el apoyo físico de un lecho inerte que sirve como soporte para el enraizamiento de los vegetales, además de servir como material filtrante. En conjunto, estos elementos eliminan materiales disueltos y suspendidos en el agua residual y biodegradan materia orgánica hasta mineralizarla y formar nuevos organismos Los humedales tienen tres funciones básicas que les confieren atractivo potencial para el tratamiento de aguas residuales: fijan físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia orgánica, utilizan y transforman los elementos por medio de los microorganismos y logran niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía y poco mantenimiento.

Tratamiento biológico de lodos: Espesamiento: gravedad, mesa, discos. Tratamiento de lodos

Espesamiento por gravedad

Mediante el espesamiento de los lodos se consigue una reducción del volumen de aproximadamente un 30 – 80 % antes de cualquier otro tratamiento. En plantas de tratamiento de menor tamaño, con alimentación regular de lodo, el espesamiento tiene lugar generalmente directamente en el tanque de almacenamiento de los lodos. El lodo es comprimido en la base del tanque mediante gravedad, mientras en la parte superior se produce una capa de agua que se extrae y recircula nuevamente.

Se obtiene a partir de la utilización de sedimentadores provistos con barredoras de lodos para obtener un lodo más concentrado que el aplicado. Son criterios de diseño los que se presentan en la tabla siguiente

En las plantas de tratamiento de mayor tamaño, existen tanques especiales de espesamiento de lodos. Estos tanques están equipados con rodillos de rotación vertical, que crea micro canales en el lodo para un mejor escurrido. La importancia de las maquinas de espesamiento tiene lugar en aquellos lodos no estabilizados, que pueden pudrirse durante el almacenamiento.

Espesamiento por flotación Es utilizado principalmente para lodos proveniente de sistemas de lodos activados y filtros percoladores. Consiste en la separación de sólidos del líquido mediante la introducción de aire en forma de burbujas finas dentro de la fase líquida. “Las burbujas se adhieren a los sólidos y el empuje combinado del gas y el sólido hace que suban a la superficie del líquido donde son removidos”.

Tipo de lodo Primarios Secundarios

Carga másica superficial

Carga de rebose –

Dosis de coagulante

Dosis de coagulante

kg/m2 -d

m/d

mg/L FeCl3

mg/L CaO

100 - 150

16 - 32

20 - 50

2–8

1–6

5 – 12

Cuando el lodo proviene de lodos activados, se recomienda mezclarlo con lodo primario. Las siguientes precauciones deben tenerse en cuenta, cuando se haga espesamiento por gravedad de lodos activados:  Si la temperatura del A.R. > 20 °C, se debe usar espesamiento por gravedad cuando la edad del lodo es mayor a 20 días  Mantener el lodo en el espesador por un término menos a 18 horas para disminuir efectos indeseables en la actividad biológica  El diámetro del tanque debe ser menor a 12 m  Otros criterios de diseño son:  Forma circular  Profundidad de 2 – 5 m  Diámetro 3 a 30 m, previene problemas de gasificación y flotación por incremento del tiempo de retención y actividad anóxica resultante  Pendiente de fondo 12.5 a 25% (Centraliza los lodos hacia el fondo del espesador, permitir menor tiempo de retención, maximiza la profundidad del lodo sobre la tubería de extracción)  Tiempo de retención entre 2 y 4 dias Para la succión de lodos:  Velocidad de flujo 1 a 2 m/s  Velocidad de la barredora de lodo: 0.08 – 0.10 m/s

En el proceso, se da una recirculación del caudal afluente, presurizado entre 280 y 480 kN/m2 (40 – 70 psi). El aire introducido se combina con el caudal recirculado. La tubería de recirculación se calcula para producir una velocidad de flujo de 2 a 3 m/s, siendo el material utilizado acero al carbón calibre 40 – 80.

Fuentes de Información: Datos tomados de (Romero R., J., 2005),

Estabilización: Adición de cal, Digestión (aeróbica y anaeróbica), producción de composta La estabilización tiene como objetivos, el reducir los microorganismos patógenos presentes en los fangos de E.D.A.R., eliminar los olores desagradables y eliminar la capacidad de putrefacción. DIGESTIÓN AEROBIA Consiste en la degradación biológica de la materia orgánica presente en el agua residual gracias a la actividad microbiológica en condiciones aerobias. Los fangos en el reactor deben mantenerse en concentraciones cercanas a 25 g/l y la reducción de la materia volátil debe ser como mínimo del 40%.

ESTABILIZACIÓN QUÍMICA Oxidación con cloro Es la oxidación química del fango mediante la aplicación de una dosis elevada de cloro. Se realizan en reactores cerrados y necesita un periodo de retención bastante corto. Estabilización con cal Se añade cal al fango en dosis tales para mantener el pH 12 durante el tiempo suficiente como para asegurar la eliminación o reducción de organismos patógenos presentes en los fangos. Este tipo de estabilización se suele usar:

El tiempo de retención hidráulico se calcula según la fórmula: t (días) = volumen reactor (m3)/caudal de entrada (m3/día) La carga de sólidos volátiles por m3 de digestor se denomina carga de trabajo y según aumenta la carga de trabajo, disminuye la reducción de sólidos volátiles. En este tipo de digestión hay que tener en cuenta la cantidad de oxígeno que tenemos que suministrar al digestor, ya que la cantidad de oxigeno consumida determina la cantidad de sólidos volátiles destruidos. Se estima que se necesitan 2 kg de oxígeno por kg de materia volátil destruida más 1,8 kg de oxígeno por cada kg de DBO5 del fango primario.

Como sistema complementario de estabilización durante los periodos en que las instalaciones de otros sistemas (como la digestión o la incineración) están fuera de servicio. Como sistema complementario a los procesos de digestión cuando hay una cantidad de fangos mayor a la cantidad prevista en el diseño de las instalaciones. En plantas de pequeño tamaño donde una inversión y la consiguiente explotación de las instalaciones de otro sistema de estabilización no resulten rentables.

DIGESTIÓN ANAEROBIA La digestión anaerobia es la degradación de la materia orgánica de los fangos en condiciones de anoxia. Las reacciones que se producen en esta degradación liberan energía además de liberar al medio metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Este tipo de digestión trascurre en diferentes fases: Fase de hidrolítica: En esta etapa se rompen los enlaces de las grandes moléculas gracias a las enzimas que excretan las bacterias hidrolíticas. Fase Ácida: En esta fase actúan bacterias facultativas que transforman los compuestos orgánicos presentes en el fango en ácidos orgánicos de bajo peso molecular, esto produce al finalizar esta etapa el pH descienda. Fase Acetogénica: Esta fase la realizan las bacterias acetogénicas, las cuales sueltan acetatos y CO2 al medio. Fase Metanogénica: Etapa realizada gracias a las bacterias metanogénicas, las cuales forman metano (CH 4) y dióxido de carbono (CO2). Estas bacterias tienen un crecimiento lento provocando que su metabolismo sea limitante en el proceso del tratamiento de los fangos mediante digestión anaerobia.

COMPOSTAJE El compostaje es un sistema de transformación microbiológica aerobia controlada de la fracción orgánica de residuos de distinta naturaleza, por ejemplo residuos de lodos activados. Un amplio conjunto de microorganismos transforman los materiales orgánicos en un producto húmico que puede usarse como importante regenerador o enmendante orgánico de suelos, disminuyendo el volumen de estos residuos y el contenido en patógenos siempre que el proceso esté bien controlado.

Fuentes de Información: Tratamiento de aguas residuales Tratamiento de aguas residuales. (2016). Google Books.

Deshidratado: Lecho secado, filtro de banda, decantadores centrífugos, Filtros de prensa Mediante el secado de los lodos se consigue reducir el peso de los lodos. El secado se crea mediante la evaporación del agua que existe en los lodos. El secado de los lodos es producido generalmente mediante procedimientos basados en contacto, convención o radiación. No es necesario el suministro de grandes cantidades de aire porque el calor suministrado por contacto entre el producto que se descarga y las paredes calientes es suficiente. Solo se requiere una cantidad de flujo de gas mínima para la evacuación del vapor. Esto tiene como ventaja que el gasto de aire de salida es bajo. Métodos de deshidratación de lodos Lechos de secado El proceso de lechos de secado es uno de los procesos con mayor antigüedad, lo cual lo hace práctico y sencillo en su realización. En este proceso se usan lechos rectangulares de poca profundidad, que a su vez posean fondos porosos. En la parte superior se coloca una red de drenaje subterráneo para posteriormente separar las áreas convencionales con paredes bajas; el lodo pasa a los lechos hasta que alcanza una profundidad de entre 125 a 250 mm. La pasta que se obtiene se seca, provocando que se agriete y permita una evaporación mayor para liberar el agua de lluvia de la superficie. La deshidratación se logra gracias al drenaje de las capas inferiores y a la evaporación de la superficie bajo la acción del sol y el viento.

Centrifugación El proceso de centrifugación es de tipo de carcasa sólida, por lo cual consiste en alimentar el lodo acondicionado al centro de una carcasa que gira rápidamente. Los sólidos son arrojados a la orilla exterior donde son removidos por un raspador-transportador. Filtros para deshidratación de lodos El líquido de los lodos del agua residual, es altamente contaminante por lo cual se debe regresar a la planta principal de tratamiento para su estabilización. Para conseguir grados de sequedad completos o mayores, hay que someter el lodo a una filtración. Los sistemas de filtración más empleados son los filtros prensa y los filtros banda. Filtros prensa

Filtrado de presión El filtrado de presión es un proceso discontinuo, el cual consiste en bombear el lodo acondicionado con presión creciente en cámaras revestidas con telas de fieltro. Las cámaras se encargan de retener los sólidos permitiendo que el líquido escape por los canales de las placas metálicas de apoyo. Conforme se escapa el líquido, la pasta adyacente a la tela opera como un filtro adicional para el resto del lodo y la pasta se deshidrata hacia el centro. Filtrado al vacio El filtrado al vacio es un proceso, en el cual un tambor giratorio segmentado cubierto con tela de fieltro sumerge por partes en lodo acondicionado. Acorde va girando el tambor y la capa de lodo emerge del tanque, el aire sale ayudando a la deshidratación. Posteriormente, un raspador extrae la pasta de lodo.

Los filtros prensa se encuentran formados por una serie de placas de fundición, con caras acanaladas, en la cuales se intercalan unas telas filtrantes. El lodo (previamente acondicionado con cal), se introduce en las cámaras cada dos placas contiguas para posteriormente ser sometido a una presión elevada, por medio de un dispositivo hidráulico. Filtros banda Los filtros banda consisten en una tela filtrante, la cual pasa a través de unos rodillos giratorios, el lodo acondicionado con un polielectrolito se vierte de forma continua sobre la banda para posteriormente pasar entre los rodillos que lo comprimen. Finalmente, una placa rascadora separa el fango deshidratado de la banda.

Fuentes de Información: Tratamiento de aguas residuales Tratamiento de aguas residuales. (2016). Google Books.

Confinamiento de lodos Caracterización

Disposición Final

Para la caracterización de lodos se pueden aplicar dos procedimientos:

En general, se debe considerar la disposición final como la última opción dentro de una estrategia general de manejo de lodos. La disposición dependerá del tipo de lodo. Los sitios de disposición deberán contar con sistemas técnicos de operación y diseño sencillos, con mínimos requerimientos de operación, control, supervisión y mantenimiento.

Análisis de componentes se puede realizar a través de un balance de masa del proceso generador del lodo utilizando la información de la calidad de materia prima utilizada. Análisis de lixiviados (TCLP), consiste en someter a una muestra de residuo a un proceso acelerado de descomposición simulando la situación más crítica que sufrirá al ser depositado en un relleno; en el lixiviado resultante se analiza los parámetros requeridos para su caracterización. Análisis de corrosividad, reactividad, explosividad, toxicidad, inflamabilidad y biológico infecciosos (CRETIB) del lodo, para determinar el tipo al que corresponde. Dentro de los procedimientos correspondientes para su análisis deben tomarse en cuenta los siguientes aspectos: Equipo utilizado para el análisis, y Normas y métodos aplicados para la determinación de los componentes y características. Los volúmenes de lodos generados por plantas de tratamiento de aguas de desecho, son mínimos en comparación con el volumen de agua que se procesa, pero son considerablemente grandes en función del gran volumen de agua que se maneja aún en plantas pequeñas. El manejo y transporte de los biosólidos desde su punto de generación hasta los sitios de confinamiento implica un alto costo de inversión y de operación, por lo que no es una forma convencional de disposición de este residuo.

Como estrategia para conseguir estos propósitos, se deberá realizar lo siguiente: Aplicar un concepto de manejo basado principalmente en la separación de los diferentes tipos de lodos y control de las actividades de la disposición tales como: calidad de lodos aceptados que cumplan totalmente con los requisitos exigidos en el lugar de la disposición para evitar generar emisiones secundarias de subproductos (gases, agua), registro, monitoreo, análisis de lixiviados, etc. Disponer en forma separada los lodos incompatibles o de diferente calidad, para evitar la mezcla de los diferentes contaminantes Tener un sistema especial en las áreas de disposición para lograr drenar, colectar y tratar los lixiviados generados. Los sitios para disposición final de lodos deben ser cuidadosamente seleccionados, diseñados técnicamente, tomando en cuenta criterios geológicos satisfactorios, hidrología, uso actual y futuro del agua subterránea, geotecnia, estabilidad de pendientes, protección de la erosión, provisión de servicios, factores socioeconómicos, etc.

Geotubos para secado y confinamiento de lodos: Entre las aplicaciones que tienen los geotubos se encuentra el secado y confinamiento de lodo, se pueden emplear en plantas de tratamiento, en la industria minera, en las plantas productoras de papel y en el saneamiento de cuerpos de agua contaminados.

Confinamiento: Usando Geotextiles permeables de alta resistencia con propiedades únicas de diseño para la retención, se fabrican Geocontenedores, los cuales pueden ser llenados con sedimentos de grano fino, suelos contaminados o materiales de descarga de dragados.

Drenaje: El exceso de agua drena fuera del Geocontenedor a través de los poros pequeños del geotextil, resultando en un drenaje efectivo y una reducción del volumen del material contenido. Esta reducción de volumen permite que el Geocontenedor sea llenado varias veces. En muchos casos, el agua decantada es de una calidad tal que puede volver a corrientes naturales o ser reutilizada.

Consolidación: Después del ciclo final de llenado y drenaje, los materiales finos contenidos pueden continuar su consolidación por desecación, pues el vapor de agua residual sale a través del geotextil. Esto resulta en un mayor ahorro, económico, de espacio y tiempo para la disposición de residuos.

Fuentes de Información: Tratamiento de aguas residualesTratamiento de aguas residuales. (2016). Google Books.

Humedales para tratamiento de lodos En este tipo de sistemas, los lodos de depuradoras se van dosificando a los humedales y gracias a las plantas, se deshidratan de forma natural, obteniendo rendimientos muy similares a otros sistemas convencionales como centrífugas, filtros-prensa o filtros-banda. Se acumula lodo durante 8-10 años, ahorrando los costes energéticos y de transporte durante todo ese tiempo. El producto final es un lodo deshidratado y estabilizado, con lo que deja de ser un residuo peligroso y puede utilizarse perfectamente como enmienda orgánica. La inversión en estos humedales de tratamiento de lodos se amortiza a los 4 años, en comparación con sistemas de deshidratación convencionales. Se parecen a lechos de deshidratación de lodos incluyendo macrófitas plantadas, donde los tallos rizomas y raíces, mejoran el drenaje del agua proporcionando canales y favoreciendo la evapotranspiración.

El sistema se compone de un mínimo de 8 balsas impermeabilizadas de humedales artificiales de aproximadamente 2 a 2.5 metros de profundidad El fango con humedad de 0.5 a 5% es bombeado secuencialmente a los lechos con una carga de solidos predeterminada. El residuo solido alcanza tras 10 años de operación de 1 m a 1.5 metros de altura, con un porcentaje de materia seca entre 30 y 40% Los procesos bioquímicos favorecidos por la actividad redicular por las plantas de humedad, y las bacterias actúan para la trasformación de los compuestos nitrogenados y de carbono hasta alcanzan los estados de mineralización propios de un suelo rico en humus

Ventajas: Su funcionamiento ecológico se basa en la fiabilidad operacional y soluciones a largo plazo sin problemas climáticos en invierno. De muy bajos costes de explotación y energía, sin uso de químicos (polímeros) para la deshidratación no contaminante. Reducen las emisiones de CO2 y Nox, mineralizan los compuestos orgánicos peligrosos con una muy buena reducción de microorganismos patogénicos.

Características Generales 

Tiempo de operación entre 10 a 15 años



Pueden lograr un contenido en solidos secos entre 30 y 40%



Es posible reciclar los biosolidos para agricultura como un producto tratado valorizado.

Fuentes de Información: Tratamiento de aguas residuales Tratamiento de aguas residuales. (2016). Google Books.