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Tratamiento de aguas
residuales
La utilización del agua como recurso provoca una disminución de su calidad y, en muchos casos, un deterioro del medio ambiente al ser devuelta al medio acuático tras su utilización. Se impone
entonces depurar el agua para reutilizarla y para evitar impactos ambientales negativos. En este curso se abordan temas referentes a los conceptos básicos en el campo del tratamiento
de las aguas residuales provenientes de distintas fuentes
ÍNDICE
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ................................................................................ 0
3 TRATAMIENTO SECUNDARIO ..................................................................................... 1
3.1 PRINCIPIO DE DEPURACIÓN BIOLÓGICA .......................................................... 2
3.2 TRATAMIENTO AERÓBICO .................................. ¡Error! Marcador no definido.
3.2.1 LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN .................................................................... 8
3.2.2 LAGUNAS ANAEROBIAS ............................... ¡Error! Marcador no definido.
3.2.3 LAGUNAS AIREADAS ..................................................................................... 2
3.3 TRATAMIENTO AERÓBICO .................................. ¡Error! Marcador no definido.
3.3.1 LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN ................... ¡Error! Marcador no definido.
3.3.2 LAGUNAS ANAEROBIAS ............................... ¡Error! Marcador no definido.
3.3.3 LAGUNAS AIREADAS .................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.3.4 LAGUNAS FACULTATIVAS ........................... ¡Error! Marcador no definido.
3.3.5 DISEÑO DE LAGUNAS PARA REMOCIÓN DE ORGANISMOS
PATÓGENOS ................................................................. ¡Error! Marcador no definido.
3.3.6 TRATAMIENTO CON LODOS ACTIVADOS .. ¡Error! Marcador no definido.
3.4 TRATAMIENTO ANAEROBIO ............................... ¡Error! Marcador no definido.
3.5 TRATAMIENTO ANÓXICO .................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.6 FILTRACIÓN ........................................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.6.1 MICROFILTRACIÓN ....................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.6.2 ULTRAFILTRACIÓN ....................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.6.3 NANOFILTRACIÓN ......................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.7 ÓSMOSIS INVERSA .............................................. ¡Error! Marcador no definido.
3.8 ADSORCIÓN .......................................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.9 ARRASTRE CON AIRE .......................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.10 INTERCAMBIO IÓNICO ......................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.11 OXIDACIÓN AVANZADA ....................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.12 DESTILACIÓN ........................................................ ¡Error! Marcador no definido.
3.13 PRECIPITACIÓN QUÍMICA ................................... ¡Error! Marcador no definido.
3.13.1 REMOCIÓN DE FÓSFORO POR ADICIÓN QUÍMICA¡Error! Marcador no
definido.
3.13.2 REMOCIÓN DE SUSTANCIAS INORGÁNICAS DISUELTAS .............. ¡Error!
Marcador no definido.
3.14 OXIDACIÓN QUÍMICA ........................................... ¡Error! Marcador no definido.
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Clasificación de coloides ....................................... ¡Error! Marcador no definido.
ÍNDICE DE IMÁGENES
Imagen 3.1 Sistema de flotación sin recirculación................ ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 3.2 Sistema de flotación con recirculación .............. ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 3.3 Sistema de neutralización y homogenización ... ¡Error! Marcador no definido.
1
3 TRATAMIENTO SECUNDARIO
Antes de proceder a realizar un tratamiento secundario o biológico hay que neutralizar
mediante la cal en forma de lechada, si se trata de aguas ácidas pero si son básicas con
ácido clorhídrico o ácido sulfúrico. El objetivo de estos tratamientos es reducir y estabilizar
la materia orgánica, nutrientes y materia inorgánica disuelta y coloidal mediante la
intervención de microorganismos presentes en el agua residual. (Bautista, 2003).
El tratamiento secundario de las aguas residuales es el proceso de purificación biológica
del agua en el que participan distintas reacciones microbiológicas para eliminar o
transformar diferentes tipos de materia orgánica, nutrientes y muchos otros elementos
químicos tales como el sulfuro y los metales. Estas reacciones pueden ser realizadas bajo
tres condiciones:
En presencia de oxígeno (aerobias)
Ausencia de oxígeno disuelto con presencia de nitratos (anóxicas)
Ausencia de oxígeno disuelto y nitratos (anaerobias)
Asimismo la biomasa empleada en el tratamiento se puede mantener en suspensión o
adherida a un material de soporte (Lee, 1996; Droste, 1997)
Entonces los tratamientos biológicos se basan en la utilización de microrganismos capaces
de asimilar las sustancias en suspensión o disueltas presentes en el agua residual, a fin de
incorporarlas al metabolismo celular y de obtener energía para sus funciones vitales y
promover el desarrollo somático. Con un control adecuado de las condiciones ambientales
(presencia o ausencia de oxígeno, pH óptimo, temperatura y mezcla) es posible conseguir
el desarrollo de una biomasa capaz de depurar el agua residual hasta alcanzar el grado de
tratamiento deseado. (Watergy, 2014)
La mayoría de los tratamientos secundarios se realizan en presencia de oxígeno y los
menos usados son los que se realizan en ausencia de oxígeno mediante desnitrificación y
digestores.
Los principales microrganismos que actúan en la biodegradación son bacterias, hongos,
algas, protozoos y pequeños animales invertebrados. Influyen la temperatura, el contenido
de oxígeno, el pH, la salinidad, la relación nitrógeno-fósforo y otro tipo de compuestos como
pueden ser plaguicidas, determinados metales pesados e hidrocarburos (Bautista, 2003).
3.1 PRINCIPIO DE DEPURACIÓN BIOLÓGICA
Los lechos bacterianos están constituidos por una superficie porosa que sirve de soporte a
los microorganismos depuradores, a través de la cual pasa el agua ya decantada. Sobre
esta superficie se forma una capa o film de bacterias heterótrofas que se alimentan de
materia orgánica y en el fondo un film de bacterias autótrofas que se alimentan de la materia
inorgánica (Bautista, 2003).
En el proceso de lodos activos, se mezclan las aguas residuales con los lodos en un reactor,
y se realiza una agitación mecánica del agua a través de difusores de aire. Posteriormente,
se pasa la mezcla a un decantador secundario donde se produce la floculación de la materia
orgánica. Parte de estos flóculos se eliminan y parte se reintroducen en la bolsa de aireación
para mantener constante la cantidad de microorganismos. Los lodos son masas de fangos
formados por microorganismos. Este sistema es más eficaz en cuanto a depuración que los
lechos bacterianos. Su principal inconveniente es la mayor producción de fangos con un
alto contenido en agua (Ídem)
3.2 TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS DE ORIGEN NATURAL
Todos ellos presentan una óptima resistencia a los golpes de carga hidráulica y orgánica.
Sin embargo, tienen como inconvenientes el que requieren de gran superficie y que, en
algunos casos, su rendimiento depurativo está influenciado por las condiciones climáticas.
Actualmente, los dos tratamientos biológicos naturales que se emplean son:
- Lagunas aireadas o de aireación.
-Balsas de estabilización
3.2.1 LAGUNAS AIREADAS
Las lagunas aireadas se emplean generalmente como primera unidad de un sistema de
tratamiento en donde la disponibilidad del terreno es limitada o para el tratamiento de
desechos domésticos con altas concentraciones o desechos industriales cuyas aguas
residuales sean predominantemente orgánicas. El uso de las lagunas airadas en serie no
es recomendable.
b. Se distinguen los siguientes tipos de lagunas aireadas:
Son consideradas como un proceso incipiente de lodos activados sin separación y
recirculación de lodos y la presencia de algas no es aparente. En este tipo de lagunas la
profundidad varía entre 3 y 5 m y el período de retención entre 2 y 7 días. Para estas
unidades es recomendable el uso de aireadores de baja velocidad de rotación. Este es el
único caso de laguna aireada para el cual existe una metodología de dimensionamiento.
Lagunas aireadas facultativas. Este tipo de laguna presenta acumulación de lodos,
observándose frecuentemente la aparición de burbujas de gas de gran tamaño en la
superficie por efecto de la digestión de lodos en el fondo. En este tipo de lagunas los
períodos de retención varían entre 7 y 20 días (variación promedio entre 10 y 15 días) y las
profundidades son por lo menos 1,50 m. En climas cálidos y con buena insolación se
observa un apreciable crecimiento de algas en la superficie de la laguna.
Lagunas facultativas con agitación mecánica: se aplican exclusivamente a unidades
sobrecargadas del tipo facultativo en climas cálidos. Las condiciones de diseño de estas
unidades son las mismas que para lagunas facultativas. El uso de los aeradores puede ser
intermitente.
c. Los dos primeros tipos de lagunas aireadas antes mencionados, pueden ser seguidas de
lagunas facultativas diseñadas con la finalidad de tratar el efluente de la laguna primaria,
asimilando una gran cantidad de sólidos en suspensión.
Las lagunas aireadas son un sistema aerobio de mezcla completa (características
homogéneas en todo el volumen de la laguna), o próximo a ella, que se lleva a término en
un depósito poco profundo excavado en el terreno que hace las veces de reactor.
El oxígeno es suministrado, en la inmensa mayoría de los casos, mediante ventiladores
de superficie rápidos de los que se distribuyen 2-3 en la laguna (son hélices con un motor
encima, instaladas en el centro de un flotador circular que giran a entre 750 y 1.500 rpm.
figura 4.2). Las necesidades de oxígeno del sistema de lagunas aireadas, se cifran entre
0,7 y 1,4 veces la DBO5 que se quiera eliminar.
Entre las ventajas del sistema de aireación descrito destacan su fácil instalación y su
flexibilidad de utilización (cambio rápido de un aparato por otro).
Entre los inconvenientes, se puede mencionar su bajo aporte específico de oxígeno disuelto
por unidad de energía eléctrica consumida (del orden de 1 kgO2/kW.h) y el que la alta
velocidad de giro "maltrata" los flóculos de los fangos, aunque esto último no es un problema
muy serio porque normalmente a los efluentes de lagunas aireadas no se les exige una
garantía muy restrictiva en cuanto a las materias en suspensión.
Otro de los aspectos a destacar de las lagunas aireadas, es su alto tiempo de retención
hidráulica (definible como el tiempo medio de permanencia del agua en la laguna) que se
sitúa en unos 10 días, circunstancia que permite disponer de una elevada concentración de
bacterias, ya que se asegura que la velocidad de evacuación de microorganismos (que
viene limitada por el tiempo de retención hidráulica) es inferior a su velocidad de
reproducción.
La alta concentración de bacterias y el elevado tiempo de retención hidráulica garantiza la
eficacia de este sistema de depuración, aunque también debe destacarse que esta eficacia
está muy afectada por las variaciones estacionales de temperatura.
inalmente, indicar que las lagunas aireadas pueden constituirse con o sin recirculación de
biomasa desde el sedimentador, aunque la segunda opción es la situación más común.
3.2.2 - BALSAS DE ESTABILIZACIÓN.
Los estanques de estabilización son grandes embalses donde la carga orgánica del
influente es depurada por la acción de microalgas y bacterias saprófitas, principalmente.
Este tipo de tratamiento constituye una buena solución, por su economía de realización y
de gestión, para pequeñas comunidades de clima cálido o templado (la temperatura tiene
una notable influencia sobre la cinética del proceso). De hecho, son raras las aplicaciones
de estanques de estabilización para grandes plantas de tratamiento y/o en clima frío.
También es aplicable sobre aguas residuales industriales, a condición de que éstas posean
una significativa presencia de sustancias orgánicas y no contengan sustancias que inhiban
la actividad bacteriana.
Entre las características de los estanques de estabilización destacan:
- Permiten un aceptable nivel depurativo.
- Presentan una cierta flexibilidad frente a las variaciones de carga contaminante.
- Permiten una fácil separación y digestión de los fangos.
- No hay incorporación artificial de oxígeno, sino que éste procede del aire atmosférico.
Pero sin duda, el aspecto que mejor define a estos estanques, y que simultáneamente es
su mayor inconveniente, es la gran superficie que ocupan, hecho que lleva a definir la carga
(por unidad de superficie y tiempo) que se puede tratar con ellos en kgDBO5/ha.día
(obsérvese que se trabaja con hectáreas en vez de con m2).
Los distintos tipos de estanques de estabilización difieren esencialmente en el proceso
biológico particular que en ellos se desarrolla y que es función de la profundidad que tengan.
Así se distinguen:
a) Estanques Aerobios. Son aquellos de profundidad comprendida entre 0,3 y 0,5 m.
Trabajan con baja carga (85-170 kgDBO5/ha.d), un tiempo de retención hidráulica de 4-6
días y permiten una reducción del 80-95% de la DBO5.
b) Estanques Facultativos. Presentan una profundidad intermedia (1,2-2,5 m) y pueden
aplicarse para cargas de entre 85 y 170 kgDBO5/ha.d, siendo su rendimiento depurativo
similar al de los estanques aerobios pero con tiempos de retención hidráulica de 5 a 30
días. Se caracterizan en que en la proximidad de la superficie hay un ambiente aerobio
(degradación aerobia y fotosíntesis), mientras que en el fondo las condiciones son
anaerobias. La interfase entre ambos niveles varía en el curso del día en relación a la
irradiación solar.
c) Estanques Anaerobios. Son los de mayor profundidad (2,5-5 m) y los que pueden
trabajar con mayor carga de sustancia orgánica (225-600 kgDBO5/ha.d) pero con tiempos
de retención hidráulica de 20-50 días y rendimientos en la reducción de la DBO5 del 50-
85%. En ellos tenemos un ambiente falto de luz y oxígeno, donde los procesos depurativos
que se instauran son exclusivamente anaerobios, motivo por el cual es menor la eficacia
depurativa.
La forma constructiva más habitual es la rectangular que permite un rendimiento depurativo
similar al de la circular y es más simple de realizar. La alimentación del influente se debe
realizar en un punto lo más lejano posible de la salida del efluente para no afectar
negativamente el nivel de depuración, además la entrada debe hacerse a baja velocidad y
preferiblemente con largos difusores.
Uno de los principales factores negativos de un estanque de estabilización es el crecimiento
de algas por la radiación solar, que en climas cálidos es bastante intensa.
La elevada concentración de algas determina una disminución en la eficacia del tratamiento,
en particular en lo que hace referencia a la separación de sólidos suspendidos.
Otro de los problemas que presenta este sistema es la acumulación de fangos dentro del
mismo estanque, lo que reduce su volumen útil y limita su eficacia, además de poder
originar malos olores al desarrollarse en ellos procesos anaerobios.
La separación del sedimento fangoso del fondo del estanque se realiza, por término medio,
cada 10 años (en el caso de los anaerobios es a los 5-10 años) y tras su vaciado, aunque
en algunos casos se lleva a cabo mediante pequeñas dragas o con bombas y sin vaciar el
estanque. El fango obtenido puede reutilizarse en agricultura si se está en una zona rural,
dando buenos resultados por las características químico-biológicas que presenta.
3.3 TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS DE INSTALACIÓN
Los sistemas biológicos que aquí se incluyen pueden clasificarse en dos grupos, en base
al modo de "cultivo" de los microorganismos que realizan la depuración:
1) Sistemas de Biomasa Suspendida:
a. Aerobios: Fangos activados
b. Anaerobios: Sistemas Anaerobios de Mezcla Completa; Reactor de lecho de
Lodos
2) Sistemas de Biomasa Fija.
c. Aerobios: Lechos Bacterianos o Filtros Percoladores; Biodiscos o contactor
biológico rotativo.
d. Anaerobios: Filtros Anaerobios Biológicos; Lecho Fluidificado
De todos los tratamientos citados, seguramente el de fangos activos sea el de uso más
extendido por tratarse de una instalación simple, bastante compacta, fácil de dirigir por su
flexibilidad y con unos costos de funcionamiento moderados.
Los sistemas de biomasa fija son más compactos que los fangos activos. En comparación
con los sistemas de biomasa suspendida presentan una flexibilidad frente a cargas
variables más limitada y unos costes de realización algo mayores, pero menores costos de
gestión.
3.3.1 PROCESOS AEROBIOS DE BIOMASA SUSPENDIDA
En el proceso de tratamiento aerobio del agua residual los microorganismos emplean la
materia orgánica presente, junto al oxígeno disuelto, para producir el crecimiento de las
células y CO2 y agua como productos finales. Los procesos principales se llevan a cabo con
sistemas de cultivo en suspensión o cultivo fijo (Veritas, 2008). Ver tabla 3.1
Tabla 3.1 Procesos para el tratamiento aerobio
Generalidades
El tratamiento secundario los procesos biológicos con una eficiencia de remoción de DBO
soluble mayor a 80%, pudiendo ser de biomasa en suspensión o biomasa adherida, e
incluye los siguientes sistemas: lagunas de estabilización, lodos activados (incluidas las
zanjas de oxidación y otras variantes), filtros biológicos y módulos rotatorios de contacto.
La selección del tipo de tratamiento secundario, deberá estar debidamente justificada en el
estudio de factibilidad.
Entre los métodos de tratamiento biológico con biomasa en suspensión se preferirán
aquellos que sean de fácil operación y mantenimiento y que reduzcan al mínimo la
utilización de equipos mecánicos complicados o que no puedan ser reparados localmente.
Entre estos métodos están los sistemas de lagunas de estabilización y las zanjas de
oxidación de operación intermitente y continua. El sistema de lodos activados convencional
y las plantas compactas de este tipo podrán ser utilizados sólo en el caso en que se
demuestre que las otras alternativas son inconvenientes técnica y económicamente.
Sistema Tratamiento aerobio biológico
Biomasa en suspensión
Se distinguen dos tipos de tratamientos:
Fangos activados: el residuo orgánico se introduce en un reactor donde se mantiene un cultivo bacteriano en suspensión, manteniendo un ambiente aerobio mediante el uso de difusores o aireadores mecánicos que además facilitan el mezclado.
Lagunas aireadas: el proceso biológico se realiza en lagunas de grandes extensiones en contacto con la atmósfera
Tras un periodo determinado de tratamiento, la mezcla de fango y agua se conduce a un tanque de sedimentación para la separación del agua residual tratada y una parte del lodo se recircula para mantener el reactor activo. La otra fracción del lodo, correspondiente al crecimiento asociado a un agua residual determinada, se purga del sistema y se le da un tratamiento adecuado.
Biomasa fija
Se emplea para eliminar la materia orgánica, pero también se pueden emplear para el proceso de conversión del nitrógeno amoniacal en nitrato (nitrificación)
Los microorganismos están fijos en un soporte sólido introduciendo suficiente oxígeno para asegurar que el proceso sea aerobio.
Los procesos de cultivo fijo incluyen los filtros percoladores, los reactores biológicos rotativos de contacto (biodiscos) y los reactores de nitrificación de lecho fijo.
Existen sistemas que combinan tecnologías de lodos activos y lecho fijo. El ejemplo que se muestra se compone de un reactor biológico y un sistema mecánico de tubos que sirve de soporte para los microorganismos adheridos y suministra el oxígeno que se en el proceso.
Entre los métodos de tratamiento biológico con biomasa adherida se preferirán aquellos
que sean de fácil operación y que carezcan de equipos complicados o de difícil reparación.
Entre ellos están los filtros percoladores y los módulos rotatorios de contacto.
3.3.1.1 Fangos activados
Desde un punto de vista estrictamente técnico el proceso de fangos o lodos activos está
constituido por un fermentador o reactor aerobio, que es alimentado con el influente a tratar
en flujo continuo, completamente mezclado o no y que contiene una población bacteriana
heterogénea.
La base del proceso de fangos activos es la formación, mediante el proceso ya citado de
biofloculación, de agregados bacterianos, denominados flóculos de fango, de aspecto
gelatinoso y de algunos milímetros de tamaño. Estos flóculos están constituidos por
sustancias en suspensión primordialmente orgánicas y con frecuencia en estado coloidal,
así como de una numerosísima población de microorganismos vivos, principalmente
bacterias seleccionadas por las características del ambiente (pH, luz, oxígeno disuelto,
carga orgánica, micronutrientes, sustancias tóxicas).
Las bacterias del proceso de fangos activos suelen ser gram negativas e incluyen
miembros de los géneros Pseudomonas, Zooglola, Achromobacter, Flavobacterium,
Nocardia, Bdellovibio, Mycobacterium, y dos bacterias nitrificantes: Nitrosomonas y
Nitrobacter. Adicionalmente, pueden presentarse diversas formas filamentosas como
Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiotrix, Lecicothrix y Geotrichum.
Si bien son las bacterias las que realmente degradan el residuo orgánico del influente,
también es importante la actividad de otros microorganismos como los protozoos que
consumen las bacterias dispersas que no han floculado, o los rotíferos que consumen
cualquier partícula biológica pequeña que no haya sedimentado
3.3.1.2 Lagunas de Estabilización
Las lagunas de estabilización son estanques diseñados para el tratamiento de aguas
residuales mediante procesos biológicos naturales de interacción de la biomasa (algas,
bacterias, protozoarios, etc.) y la materia orgánica contenida en el agua residual.
El tratamiento por lagunas de estabilización se aplica cuando la biomasa de las algas y los
nutrientes que se descargan con el efluente pueden ser asimilados por el cuerpo receptor.
El uso de este tipo de tratamiento se recomienda especialmente cuando se requiere un alto
grado de remoción de organismos patógenos.
c. Para los casos en los que el efluente sea descargado a un lago o embalse, deberá
evaluarse la posibilidad de eutrofización del cuerpo receptor antes de su consideración
como alternativa de descarga o en todo caso se debe determinar las necesidades de
postratamiento.
Para el tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales se considerarán
únicamente los sistemas de lagunas que tengas unidades anaerobias, aireadas, facultativas
y de maduración, en las combinaciones y número de unidades que se detallan en la
presente norma.
d. No se considerarán como alternativa de tratamiento las lagunas de alta producción de
biomasa (conocidas como lagunas aerobias o fotosintéticas), debido a que su finalidad es
maximizar la producción de algas y no el tratamiento del desecho líquido.
3.3.2 PROCESOS ANAEROBIOS DE BIOMASA SUSPENDIDA
3.3.2.1 Digestión anaeróbica
En la práctica común, los procesos aerobios se han empleado para el tratamiento de las
aguas residuales y los anaerobios para tratar residuos con una gran carga contaminante
(como por ejemplo los fangos producidos por los tratamientos primarios y secundarios) o
como tratamiento inicial de aguas residuales, también con una elevadísima carga (efluentes
industriales), cuya depuración se finaliza con sistemas aerobios.
La digestión o fermentación anaeróbica es un proceso microbiológico que se desarrolla en
ausencia de oxígeno. Consiste en una descomposición de la materia orgánica, que genera
como productos finales: un gas de alto contenido energético, denominado biogás, y un lodo
residual.
El biogás es una mezcla gaseosa formada básicamente por metano (CH4), gas carbónico
(CO2) y pequeñas cantidades de otros gases como hidrógeno, nitrógeno y sulfhídrico (SH2).
Este biogás se puede emplear en motores o bien quemarse para calentar el tanque donde
se desarrolla la digestión anaeróbica (la temperatura óptima de operación es 35-37ºC), o
incluso, puede purificarse y ser vendido a distribuidoras de gas natural.
El lodo residual anaerobio es una mezcla de materia orgánica y microorganismos vivos o
muertos bien estabilizada, por lo que normalmente, tras el secado, puede acumularse en
vertederos o ser usada para acondicionar tierras de labor. Estos tipos de lodos son un
valioso fertilizante ya que, al no degradarse los nutrientes por completo, aparecen en formas
fácilmente asimilables por las plantas; de hecho, su composición es similar al humus; sin
embargo, es necesario un control periódico del suelo donde se use como fertilizante porque
puede producir una acumulación de fósforo y potasio.
El proceso de digestión anaerobia comprende un conjunto de reacciones sumamente
complejas, ligadas al metabolismo de los numerosos microorganismos que actúan como
intermediarios en la transformación de la materia orgánica en substratos directamente
asimilables que acaban convirtiéndose en biogás. Este proceso puede esquematizarse
como sigue:
Figura Esquema del proceso de la digestión anaeróbica
Las etapas de este proceso son:
1. Etapa de Hidrólisis. Acción de enzimas hidrolíticos -liberados al medio por los
microorganismos-, sobre los polímeros orgánicos (glúcidos, lípidos, prótidos), que hidrolizan
a moléculas más sencillas y solubles (aminoácidos, azúcares, ácidos grasos, alcoholes).
2. Etapa de Acidogénesis. Las moléculas sencillas originadas en la etapa anterior
experimentan una fermentación ácida, que produce diferentes productos intermedios, de
entre los que destacan los ácidos grasos volátiles como el propiónico, el butírico y el
valérico. Junto a estos, también se generan, aunque en menor cantidad, otros ácidos
(caproico, heptanoico, succínico, láctico) así como etanol, etanodiol, amoníaco, hidrógeno
y dióxido de carbono.
3. Etapa Acetogénica. A partir de los ácidos de cadena más larga formados en la etapa
anterior, una serie de bacterias acetogénicas, como la Syntrophomonas wolfei (utiliza el
butírico) o la Syntrophobacter wolinii (utiliza el propiónico), producen fundamentalmente
ácido acético (70%) y, además, hidrógeno y ácido carbónico.
4. Etapa Metanogénica. Formación de metano por bacterias metanogénicas hidrogenófilas
(producen aproximadamente el 15% del metano total por la reducción del anhídrido
carbónico por medio de hidrógeno molecular u otros productos de la fermentación como
ácidos grasos), y bacterias metanogénicas acetoclásticas (producen el resto del metano a
partir de acético por reducción directa de grupos metilo). Uno de los inconvenientes de la
digestión anaeróbica es el lento crecimiento de las bacterias formadoras de metano,
circunstancia que convierte a la etapa metanogénica en el "cuello de botella" y en la
responsable de los muy altos tiempos de retención del proceso.
3.3.2.2 Sistemas anaerobios de mezcla completa
La digestión anaeróbica se lleva a cabo en un tanque cerrado en el que se introduce, de
manera continua o discontinua, el agua residual o residuo a tratar.
La mezcla completa asegura que la composición del influente en todo el volumen del reactor
sea homogénea. La mezcla puede realizarse mediante agitación mecánica con una hélice
situada en el interior del reactor o por un sistema neumático por recirculación de gas.
Dentro de este tipo de tratamiento anaerobio existen dos variantes (figura 4.7):
Sistemas anaerobios de mezcla completa con y sin recirculación del fango.
- Reactor de tanque agitado sin recirculación de biomasa (ANIFLOW).
- Reactor de tanque agitado con recirculación de biomasa o Reactor de contacto
(ANCONT): en este caso, a continuación del reactor, se sitúa un decantador secundario por
el que se hace circular el efluente, previa desgasificación de éste por agitación violenta (ya
que la presencia de gas podría impedir la sedimentación).
Los tanques de digestión anaerobia contienen grandes cantidades de materia orgánica en
suspensión (entre 20 y 100 g/l se considera adecuado). La mayor parte de ese material
suspendido es biomasa bacteriana, en concentraciones de hasta 109-1010 bacterias por
mililitro; los hongos y protozoos se encuentran en número muy bajo y no desempeñan un
papel significativo en la digestión anaeróbica.
Figura 4.8 Figura 4.8 Procesos Anaerobios de Biomasa Suspendida con y sin recirculación de biomasa
Es frecuente que estos tanques posean un intercambiador de calor como sistema de
mantenimiento de la temperatura ya que la temperatura óptima de operación está entre 35
y 37 ºC. Lo habitual es que sea un sistema indirecto, es decir, se sitúa una bomba que
extrae el influente del reactor, lo hace circular a contracorriente con el fluido calefactor del
intercambiador y lo vuelve a introducir en el tanque.
3.3.2.3 Lecho de lodos
Los reactores anaerobios de esta tipología de tratamiento se denominan Upflow Anaerobic
Sludge Blanket o Manto de Fango de Flujo Ascendente(USAB).
En el interior de estos reactores se favorece la formación de flóculos o agregados de
bacterias; al realizarse la alimentación del influente por la parte inferior y generarse gases
(principalmente CO2 y metano), estos flóculos pueden mantenerse en suspensión (figura
4.8). Tanto el gas libre como las partículas a las que se ha adherido el gas, ascienden hacia
la parte superior del reactor donde se produce la liberación de este gas adherido, al entrar
en contacto con unos deflectores desgasificadores. Las partículas desgasificadas suelen
volver a caer y el gas se captura en una bóveda de recogida de gases instalada en la parte
superior del reactor.
Es decir, permanentemente tenemos un flujo ascendente y otro descendente de agregados
bacterianos, aunque no hay una distribución homogénea de los mismos, ya que su
concentración es tanto mayor cuanto más próximos están a la base del reactor.
El líquido tratado que sale del reactor, que contiene algunos sólidos residuales y gránulos
biológicos, se conduce a una cámara de sedimentación. Los sólidos separados se
reintroducen en el reactor.
El tiempo de retención del reactor USAB es de 4-12 horas, permitiendo una reducción del
75-85% en la DQO. La velocidad de flujo necesaria para mantener el fango en suspensión
es de 0,6-0,9 m/h.
3.3.3 PROCESOS AEROBIOS DE BIOMASA FIJA
La siempre mayor limitación de los espacios y la exigencia de contener dentro de unos
valores aceptables los costes de construcción y de ejercicio de los tratamientos de
depuración, están llevando a reconsiderar cada vez más las ventajas propias de los reactores
biológicos de biomasa fija (biopelículas o biofilms) respecto a los de biomasa suspendida.
La mayor parte de los sistemas de depuración utilizan medios de soporte fijos o móviles de
una gran superficie específica y que pueden ser de origen natural (cantos rodados, escoria,
antracita, puzolana) o de plástico.
Entorno a estos soportes se forma una biopelícula (que no es más que una colección
irregular de microorganismos y de sus productos extracelulares) a través de la cual, una
vez en contacto con el agua residual, se produce un doble proceso de difusión:
a) Un proceso de materia orgánica disuelta y de oxígeno desde el agua residual al biofilm,
donde se produce la depuración por metabolización microbiana de la materia orgánica.
b) Un proceso de CO2 y metabolitos de los microorganismos desde el biofilm al agua.
Debido a que la migración del substrato es de 3 a 5 veces menor que la del oxígeno, se
desarrollan dos capas:
- Una capa externa aerobia que recibe substrato y, por lo tanto, crece.
- Otra capa más interna anaeróbica sin substrato ni oxígeno y en fermentación, cuyos gases
de fermentación provocan el desprendimiento de trozos de biopelícula que son arrastrados
por el agua y separados en la decantación secundaria.
También habrá arrastre de bacterias si el agua residual pasa a gran velocidad, debido al
importante esfuerzo cortante que se genera. En cualquier caso, el espacio libre es ocupado
rápidamente por nuevas colonias bacterianas; este fenómeno es la esencia del mecanismo
de autolimpieza que impide el atascamiento del sistema.
En cuanto a las características y ventajas de estos sistemas cabe destacar:
- Facilitan la separación del líquido y de la biomasa.
- Permiten disponer de una elevada concentración de microorganismos en los reactores
para cualquier tiempo de retención hidráulico. En estos sistemas, los tiempos de
permanencia son relativamente cortos (de 5 a 15 minutos), por lo que si no estuviesen las
bacterias fijadas a un soporte, habría un lavado de éstas, por ser este tiempo inferior al
tiempo de generación de microorganismos.
- Dan elevados rendimientos depurativos.
Puede favorecerse el crecimiento diferenciado de bacterias en diferentes zonas del reactor,
variando el tipo de superficie de soporte.
- Poseen estabilidad y resistencia ante variaciones de la carga del substrato.
- Presentan una mayor resistencia que los sistemas de biomasa suspendida frente a toxinas
e inhibidores (como por ejemplo antibióticos). La presencia de estos compuestos afectará,
por difusión, a las primeras capas de microorganismos, pero el biofilm podrá recuperarse si
esta presencia no es muy duradera.
- Los sistemas tradicionales de biomasa fija por lo general no son válidos para la eliminación
biológica de los nutrientes, aspecto que se hizo obligatorio en la Unión Europea a partir del
año 2000
3.3.3.1 FILTROS PERCOLADORES
Los filtros percoladores son también conocidos como lechos bacterianos. En ellos el agua
residual, generalmente decantada para evitar un rápido atascamiento, se derrama sobre un
lecho de grava o de piezas de plástico, donde se adhieren los microorganismos formando
la biopelícula, donde se elimina gran parte de la materia orgánica, tal y como se ha descrito
en el apartado precedente.
Este relleno se debe repartir bien en un reactor, que normalmente es de diseño circular con
distribución rotativa del agua residual, por ser éste el sistema más sencillo y eficaz para
producir una buena equirepartición del influente y un buen contacto entre ambas fases. En
algunos casos, los reactores son de construcción rectangular con distribuidores fijos
(aspersores) en las esquinas. La solera de estos reactores tiene un falso fondo que soporta
el material, permitiendo que salga el agua residual y que entre el aire (la casi totalidad de
los lechos bacterianos utilizan la ventilación natural ascendente).
A la salida del filtro percolador se sitúa un canal de recogida de las aguas que puede ser
interior o exterior; situado en el exterior, alrededor del lecho, es visitable y más fácil de
limpiar. Una inclinación del fondo, al menos del 2%, proporciona una buena velocidad de
circulación del agua y evita los depósitos.
A continuación del filtro percolador es conveniente instalar un sedimentador para eliminar
los sólidos que puedan desprenderse del filtro; estos sólidos, en su caída, absorben una
parte de los materiales no sedimentables, coloidales, no eliminados en la decantación
primaria y que, por tanto, entran con el agua residual en el lecho bacteriano. Normalmente,
se recircula parte del agua procedente del decantador secundario si la entrada de agua al
filtro no es suficiente como para asegurar que esté permanentemente mojado(pero no
sumergido pues no entraría oxígeno), para evitar que se seque el biofilm. Además, con la
recirculación se consigue una siembra en la superficie y se contribuye a la homogeneidad
del filtro.
Se busca que los filtros percoladores funcionen por gravedad, sin una sola bomba, con lo
que la potencia instalada será mínima, así como el mantenimiento requerido.
Estas circunstancias los hacen muy indicados para instalaciones pequeñas en zonas de
baja población.
Finalmente, se deben mencionar los dos principales inconvenientes de este sistema:
- Sobre la superficie del filtro pueden crecer todo tipo de organismos (algas, protozoos,
gusanos, insectos), lo que, unido al hecho de tener el lecho bacteriano en contacto con el
aire (las bacterias están mojadas y no sumergidas), termina por originar malos olores. Para
solucionar este problema se puede recurrir a cubrir el reactor con una lona o con otro tipo
de estructura sencilla, aunque ello incrementa los costes.
- Debido al corto tiempo de residencia del agua residual en los lechos bacterianos, no es
posible realizar la nitrificación (eliminación de nutrientes) debido a que no se puede
completar la fase de amonificación, es decir, la transformación del nitrógeno orgánico en
nitrógeno amoniacal (tan sólo los compuestos fácilmente amonificables, como por ejemplo
la urea, se transforman en amoníaco). Como solución, en los casos en que se busque
eliminar el nitrógeno orgánico, se puede realizar una primera etapa de tratamiento con
lechos bacterianos o por fangos activos, en la que se elimine entre el 80 y el 90% de la
contaminación carbonatada, seguida de una segunda etapa con lecho bacteriano para la
oxidación biológica del nitrógeno amoniacal.
3.3.3.2 Sistemas biológicos rotativos de contacto (biodiscos)
El sistema de biodiscos consiste en una batería de discos paralelos (en serie) que giran
sobre un eje horizontal y se sumergen, del orden de un 40%, de forma cortante en la
superficie del agua a tratar (figura 4.9).
4.9 Sistema de Biodiscos o sistema biológico rotativo de contacto. En la fotografía se ve la instalación no operativa ya que en funcionamiento los biodiscos quedan sumergidos en un 40% dentro del agua a tratar. Fuente: catálogo de Sernagiotto
Sobre el material de relleno de los discos se adhieren los microorganismos formando el
biofilm, de forma similar a como sucede sobre el relleno de los filtros percoladores.
Al girar los biodiscos sobre su eje, el biofilm se sumerge en las aguas residuales y contacta
con el oxígeno atmosférico de forma alternativa, por lo que puede ser considerado como un
sistema aerobio. Además, este movimiento permite que los sólidos del agua estén en
suspensión y no sedimenten.
Este sistema permite un mejor control del proceso que los filtros percoladores, ya que la
velocidad de paso del agua residual y la depuración pueden controlarse a través de la
velocidad de giro de los biodiscos y de la distancia entre estos.
Sin embargo, al haber partes móviles, requiere un mayor consumo de energía eléctrica
(aunque menor al de los procesos tradicionales) y presenta inconvenientes mecánicos que
pueden provocar hasta la rotura del eje horizontal y de giro, en caso de estar
infradimensionado respecto a la carga aplicada, a causa del exceso de peso de la biomasa.
Por otro lado, se ha podido demostrar teóricamente y en ensayos de laboratorio que es
posible lograr la eliminación combinada de la materia orgánica y del nitrógeno en un único
reactor, controlando las cargas y concentraciones de sustancias orgánicas, la temperatura
y la presión parcial de oxígeno en la fase gaseosa. Sin embargo, faltan todavía experiencias
a mayor escala para verificar la fiabilidad del sistema en condiciones reales de variaciones
de las cargas de ingreso.
3.3.4 PROCESOS ANAEROBIOS DE BIOMASA FIJA
3.3.4.1 Filtro anaerobio
Los filtros anaerobios se emplean cada vez más por su reducido espacio, por lo que serán
especialmente útiles en pequeñas industrias, actuando como miniestaciones de tratamiento
de agua transportables (alojándolos en contenedores de unos 6 metros).
Consisten en una columna de relleno sobre la que se desarrollan y fijan las bacterias
anaeróbicas. Al encontrarse los microrganismos adheridos sobre un medio sólido se
pueden lograr tiempos de retención celular muy elevados, del orden de 100 días, con bajos
tiempos de retención hidráulica. Esta circunstancia permite que estos filtros sean
recomendables en tratamientos de aguas residuales de alta concentración contaminante.
Existen dos variantes de este tratamiento según el sentido del flujo del agua a tratar:
1. Filtro Anaerobio de Flujo Ascendente (figura 4.11).
En este caso, el agua a tratar pasa de abajo a arriba por el interior de la columna, llevándose
a cabo la mayor parte de la depuración por los microorganismos adheridos sobre el soporte
inmóvil. Estos microorganismos suman, aproximadamente, el 70% de las bacterias totales
presentes en el sistema ya que hay una parte de ellas que son arrastradas por el influente
y reemplazadas sobre el soporte, según el ya mencionado mecanismo de autolimpieza que
confiere estabilidad y resistencia a cambios de caudal.
Figura 4.11 Procesos Anaerobios de Biomasa Fija de flujo ascendente y de flujo descendente (ANBIOF)
El borboteo del metano generado produce que la fase líquida esté completamente agitada
y sea homogénea la carga contaminante.
2. Filtro Anaerobio de Flujo Descendente (figura 4.11).- Aquí el influente entra por la
parte superior y sale por la inferior. Se diferencia del anterior, además de en el sentido de
circulación del agua residual, por una distinta distribución del soporte en el seno del reactor
y por darse una gran turbulencia en la cabeza del mismo (lugar donde la concentración de
carga contaminante es mayor) debido a la circulación en contracorriente del líquido
(descendente) y del metano (ascendente).
3.3.4.2 lecho fluidificado
Se trata de un reactor relleno parcialmente de biopartículas en estado fluidizado, esto es,
libremente suspendidas por la corriente líquida; esta corriente está formada por la
recirculación y por el influente a tratar, que circula en flujo ascendente a través de las
partículas (figura 4.12).
Las citadas biopartículas están constituidas por un soporte inerte (como granos de arena,
carbón, conglomerante expandido) entorno al cual se fija la biomasa microbiana. En
muchas ocasiones se emplea un inóculo de lodo, procedente de un reactor anaerobio, para
conseguir una película biológica bien adherida al soporte, aunque se requerirá de un
elevado tiempo de adaptación de los microorganismos al nuevo substrato y temperatura.
Figura 4.12 Procesos Anaerobios de Biomasa Fija de lecho fluidificado (FANBIOF).
Una de las características de un sistema como el descrito es que si, una vez alcanzada la
velocidad de flujo que permite lograr el estado fluidificado ésta aumenta, se incrementa la
longitud del lecho sin que se observe una variación significativa en la caída de presión. La
diferencia de presión se mantiene, pues, sensiblemente constante e igual al peso de las
partículas por unidad de superficie (la caída de presión a través del lecho equilibra a la
fuerza de gravedad, lo que significa que la fuerza total de fricción sobre las partículas debe
ser igual al peso efectivo del lecho).
También se observa que las biopartículas no son iguales, al ser variable el espesor de la
biopelícula fijado al soporte, siendo la densidad global de la biopartícula tanto menor cuanto
mayor sea el grosor del biofilm. Esta circunstancia es la responsable de que en el lecho
haya una distribución de tamaños de biopartículas, fenómeno que recibe el nombre de
estratificación.
Uno de los principales inconvenientes que presenta este sistema de tratamiento es el
arrastre de biopartículas por las burbujas de metano en el recirculado, que originan serios
problemas de abrasión en conducciones, (que pueden llegar incluso a ser perforadas),
rodetes de bombas, etc. por donde es vehiculada la fracción que se recircula. La
recirculación de efluente se realiza para diluir el agua entrante y para mantener un caudal
adecuado que asegure que el medio se halle expandido.
De hecho, si bien los lechos fluidificados son más eficientes que los filtros anaerobios y que
los reactores USAB, son los menos instalados porque, además de unos elevados costes
de explotación, en buena parte debidos al problema de corrosión física ya comentado, son
complicados de diseñar y requieren múltiples mecanismos de control. Esto último se debe
al hecho de que al arrancar el reactor el lecho está formado por partículas de material inerte,
con características físico-químicas seleccionables por el diseñador, pero a medida que los
microorganismos se adhieren a la superficie, la densidad , tamaño y forma de la partículas
evolucionan, obligando a modificar las condiciones de operación.
En los lechos fluidificados se pueden lograr concentraciones de masa superiores a 15.000-
40.000 mg/l. Estas concentraciones tan elevadas de biomasa permiten que el tratamiento
del agua residual se pueda realizar con tiempos de retención hidráulica muy pequeños.
