Tratamiento Anaerobio De La Aguas Residuales

TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE AGUAS RESIDUALES

1. DIGESTIÓN ANAEROBIA 1

1.1 Mecanismo de digestión anaerobia 1

1.1.1 Hidrólisis 2

1.1.2 Acidogénesis 2

1.1.3 Acetogénesis 3

1.1.4 Metanogénesis 3

1.2 Microbiología de la metanogénesis 4

1.3 Crecimiento y actividad de las células bacterianas anaerobias 4

1.3.1 Afinidad por el sustrato 6

1.3.2 Condiciones ambientales 6

1.3.3 Composición del agua residual 6

1.3.4 Temperatura 7

1.3.5 Ácidos volátiles y pH 8

1.4 Cierre del capitulo 9

2. SISTEMAS DE TRATAMIENTO ANAEROBIOS 10

2.1 Digestor convencional 10

2.2 Proceso anaerobio de contacto. 10

2.3 Filtro anaerobio 11

2.4 Reactor de lecho fluidizado 11

2.5 Reactor de manto de lodos de flujo ascendente 12

2.6 Reactor anaeróbico de mamparas 13

2.7 Cierre del capitulo 13

3. CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL REACTOR UASB 14

3.1 Parámetros del agua residual 15

3.2 Parámetros del lodo 16

3.3 Dimensiones del reactor 17

3.4 Variables de operación 18

3.5 Variables de diseño 18

3.6 Cierre del capitulo 18

1. DIGESTIÓN ANAEROBIA

Existen esencialmente dos procesos para descomponer la materia orgánica presente en el agua residual: descomposición anaerobia y descomposición aeróbica. “La descomposición anaerobia de materia orgánica involucra procesos metabólicos que son menos eficientes que el metabolismo aeróbico” [Zegers, 1987). A diferencia de la descomposición aerobia, los procesos anaeróbicos llevan a cabo un proceso de oxidación parcial de la materia orgánica y liberan compuestos ricos en energía. Una consecuencia importante de la ineficiencia de las bacterias anaerobias es que hay menos energía disponible para el crecimiento de las células.

Esta ineficiencia metabólica le da dos ventajas al proceso anaerobio frente al aeróbico para tratar aguas residuales; estas son: a) se da una generación de lodos mucho menor, b) se puede obtener un compuesto rico en energía (metano). Frente a esto, el proceso anaerobio tiene la desventaja de poseer un proceso que requiere de mayor tiempo de retención celular.

1.1 MECANISMO DE DIGESTIÓN ANAEROBIA

La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que compuestos orgánicos más complejos se trasforman en otros más sencillos, metano y dióxido de carbono, en la ausencia de oxigeno. Este proceso biológico se lleva a cabo por la acción combinada de una gran variedad de bacterias.

En la degradación anaerobia de la materia orgánica se distinguen seis procesos diferentes, todos de los cuales se relacionan con el paso de materia orgánica a dióxido de carbono y metano [Sayed, 1987]. Estos pasos son:

1. Hidrolisis de polímeros

2. Fermentación de aminoácidos y azúcares

3. Oxidación anaerobia de ácidos grasos de cadena larga

4. Oxidación anaerobia de ácidos grasos volátiles a acetato

5. Formación de metano a partir de acetato

6. Formación de metano a partir de hidrogeno y dióxido de carbono

Sin embargo, el proceso de degradación no es una cadena sencilla de reacciones en serie sino que existen complejas interacciones simbióticas e inhibitorias entre los diferentes grupos bacterianos que llevan a cabo en conjunto el proceso. En la figura 1.1 se observan las diferentes rutas de degradación anaerobia de los contaminantes orgánicos del agua residual. Todos estos procesos se pueden agrupar en cuatro pasos que se Llevan a cabo durante la degradación de la materia orgánica: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.

1.1.1 HIDRÓLISIS

Las bacterias anaerobias no pueden asimilar los compuestos particulados como grasas, proteínas insolubles y otros tipos de moléculas poliméricas como la celulosa. Para poder pasar estas sustancias a través de la pared celular de las bacterias, estos compuestos se solubilizan en el licor a digerir. Esto se lleva a cabo por las bacterias hidrolíticas, las cuales segregan exo-enzimas hidrolíticas, para el proceso de hidrolisis. Entre las bacterias hidrolíticas encontradas en digestores anaerobios están las proteolíticas, las lipolíticas y las celilíticas [Sayed, 1987].

En aquellos desechos en que se tiene mucho material insoluble y polimérico la hidrólisis frecuenta ser el paso limitante del proceso. La cinética del proceso de hidrolisis se encuentra ligado al material a degradar con factores como composición química, a porosidad y tamaño de los particulados; y factores del entorno como la temperatura.

1.1.2 ACIDOGÉNESIS

Las bacterias hidrolíticas y no hidrolíticas metabolizan los productos de la hidrolisis de proteínas, grasas y cadenas de carbohidratos que se encuentran solubles en el licor de desecho. Los desechos metabólicos de este proceso, conocido como acidogénesis, son básicamente ácidos grasos volátiles (acético, propiónico y butílico), dióxido de carbono e hidrogeno. Además, las bacterias fermentativas producen otros compuestos como lactato, valerato, formato, butanodiol, metanol, etanol, acetona, amoniaco y sulfuro. [Sayed, 1987]

1.1.3 ACETOGÉNESIS

La Acetogénesis corresponde a la fase en que los compuestos producidos en la Acidogénesis se transforman a sustratos adecuados para la metanogénesis. Estos compuestos son acetato, dióxido de carbono e hidrógeno. Sin embargo, las reacciones de oxidación de bacterias acetogénicas generadoras de hidrógeno son termodinámicamente desfavorables a no ser que la presión parcial de hidrógeno se mantenga bajo 0.001 atm, por lo que estas bacterias se encuentran obligatoriamente acopladas con las bacterias metanogénicas y sulforeductoras que utilizan el hidrogeno” [Sayed, 1987]. Esto implica que las bacterias acetogénicas necesitan de la presencia de las bacterias metanogénicas hidrogenotróficas, que son quienes consumen el hidrogeno presente. Por ende, el crecimiento de las bacterias acetogénicas estén ligadas at crecimiento de las bacterias metanogénicas.

1.1.4 METANOGÉNESIS

Las bacterias metanogénicas son las que llevan a cabo la última etapa para convertir a materia orgánica original en dióxido de carbono y metano. Estas bacterias utilizan un número pequeño de compuestos: acetato, dióxido de carbono e hidrógeno, formato, metanol y monóxido de carbono.

Existen dos tipos de bacterias metanogénicas: acetoclásticas e hidrogenotróficas. Las primeras llevan a cabo la conversión de acetato a metano y dióxido de carbono, mientras que las segundas convierten el dióxido de carbono e hidrogeno en metano. Las bacterias acetoclásticas producen del 70 at 80% del metano que se genera y tienen una tasa de crecimiento muy lenta, razón por la cual se necesitan tiempos de retención altos en los procesos de tratamiento de agua anaeróbicos. Las bacterias hidrogenotróficas no son de crecimiento tan lento; pero, su función es muy importante, ya que consumen el hidrógeno y permiten el desarrollo de las etapas pre-metanogénicas.

1.2 MICROBIOLOGÍA DE LA METANOGÉNESIS

Las bacterias metanogénicas “son estrictamente anaerobias y son bacterias no formadoras de esporas” [Naple, 1985]. Por su morfología, se pueden encontrar cocos, bacilos, espiras y sarcinas. Se han aislado más de 20 especies diferentes que se pueden agrupar en tres clases diferentes:

1. Metanobacteriales que contienen géneros como Methanabactenum y Methanobrevibacter,

2. Methanococcales tal como Methanovotae y Methanovannielli

3. Methanomicrobiales en el cual se tienen dos familias. La primera incluye el género Methanomicrobium, Methanogenium y Methanospirilum y la segunda contiene las especies más versátiles Methanosarcina barken y Methanothrix soehngenii, que junto con Methanococcus mazel son los únicos capaces de degradar el acetato.

Las bacterias metanogénicas se encuentran relacionadas con las halofilicas y las termoacidofilicas. Las Archaebacterias se agrupan con las bacterias halofilicas, acidotermofilicas y metanogénicas formando un subgrupo en ha taxonomía de las bacterias. Entre las características de estas bacterias se tiene que los Lípidos de su membrana celular no contienen grasas formadas de ácidos grasos unidos at glicerol por medio de enlaces ésteres. Los lípidos metanogénicos poseen uniones éter y las cadenas son fitanílicas o bifitanílicas. Además, una porción significativa de los lípidos se hace de digliceril tetraéteres y escualeno. Otra diferencia importante con las eubacterias se encuentra en la estructura de la pared celular que contienen glicopéptidos, péptidos sin aminoazúcares y pseudomureno. “Por esto, las bacterias metanogénicas son resistentes a antibióticos que interrumpen la síntesis de ha pared celular (e.g. penicihina, cidoserina)” [Naple, 1985].

1.3 CRECIMIENTO Y ACTIVIDAD DE LAS CÉLULAS BACTERIANAS ANAEROBIAS

Durante el metabolismo anaerobio, parte de la materia orgánica que se puede degradar se convierte en material celular nuevo; las bacterias toman parte de ha materia orgánica soluble, la utilizan en sus procesos metabólicos para producir células y generan sólidos suspendidos en el agua. Cada grupo de bacterias que participan en la degradación anaerobia tiene sus propios factores de producción de lodos o material celular nuevo. En el cuadro 1.1 se presenta factores para diferentes grupos de bacterias.

Las bacterias aeróbicas poseen el mayor coeficiente de producción celular debido a su eficaz uso del sustrato. “Se estima que estas bacterias convierten

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