4.2 Appdaptivity System
4.2.2 Approach and Design
La purificación biológica puede ser aplicada efectivamente solo en aquellos casos en los que el agua residual contenga compuestos orgánicos biodegradables.
3.3.1. Condición de degradación biológica de compuestos
orgánicos
Los compuestos orgánicos solubles presentes en aguas residuales pueden ser clasificados en cuatro grandes grupos de acuerdo con su condición de de- gradación biológica y toxicidad:
Compuestos biológicamente degradables y no tóxicos (sacáridos, aminoácidos, ácidos grasos).
Compuestos biológicamente degradables, pero tóxicos a altas concentracio- nes (fenol, formaldehído).
Compuestos no degradables biológicamente y no tóxicos (ácido húmico, áci- dos lignosulfónicos, colorantes azo).
Compuestos no degradables biológicamente y tóxicos a bajas concentracio- nes (pesticidas, DDT).
Un agua residual en la que todos sus constituyentes son biodegradables no tóxicos o solamente tóxicos a altas concentraciones tiene una relación DBO5/DQO en el intervalo de 0,55-0,70. Esta relación es un buen indicador de la posibilidad del tratamiento biológico de un agua residual dada. Mien- tras más baja es esta relación, mayor será la proporción de compuestos no degradables en el agua residual. Si la relación es 0,2 ó menor, se está en presencia de un agua residual constituida, fundamentalmente, por compues- tos no degradables por medios biológicos, en este caso, la purificación bioló- gica sola no es suficiente.
Las causas por las que un compuesto puede ser no biodegradable son
alifáticas son degradables, sin embargo, el crecimiento de estas es disperso. Crecimiento disperso de las cadenas alifáticas:
CH2« &+2)X±CH3 SO3Na CH2« &+2)X²CH3²CH3 SO3Na CH2 CH2-(CH2)-CH3 Degradable No degradable
Otra causa de no biodegradabilidad de un compuesto puede encontrarse en la sustitución de un anillo aromático. Mientras que el 2,4-dinitrofenol pue- de ser degradable biológicamente, la sustitución del grupo nitro de la posi- ción cuatro a la seis hace al compuesto no biodegradable.
Sustituciones en el anillo aromático
Degradable No degradable OH NO2 NO2 OH NO2 O2N
En general, los compuestos de alta masa molecular y/o de estructura com- pleja son no biodegradables o de difícil degradación. En estos casos, es más aconsejable el empleo de métodos físico-químicos de tratamiento.
En la figura 3.4 se muestran los resultados obtenidos al analizar por cromatografía de gel un agua residual antes y después de ser sometida a un tratamiento biológico.3En la parte (a) de la figura se aprecian dos picos que
caracterizan a compuestos de alta masa molecular (1) y compuestos de baja masa molecular (2). En (b), puede observarse que después de un tratamiento biológico, la curva que caracteriza a los compuestos de baja masa molecular ha desaparecido, pero persiste la de aquellos de mayor masa molecular, y que no son removidos mediante este tipo de tratamiento.
Los compuestos orgánicos remanentes en un agua residual que ha sido sometida a un buen tratamiento biológico (DBO soluble 10 mgL±) son
fundamentalmente no biodegradables y fácilmente determinados con la DQO. Estos compuestos pueden clasificarse en dos subgrupos (figura 3.5). El pri-
mer subgrupo está constituido por la fracción no biodegradable contenida en el residual original y que pasa a través del tratamiento sin experimentar ningún cambio (DQOND). Al segundo subgrupo pertenecen aquellos com- puestos que son producidos por los propios microorganismos que realizan la acción depuradora, como consecuencia de su metabolismo. Su concentra- ción varía entre 1 y 5 % de la DQO que es removida.
Debe ser destacado que durante el tratamiento biológico solo se remueven aquellos compuestos de relativa baja masa molecular.
DQOD + DQOND (0,01-0,05) DQOD + DQOND
Fig. 3.5. Clasificación de los compuestos de acuerdo con su biodegrada- bilidad.
3.3.2. Purificación biológica de las aguas residuales
Cuando un agua residual se pone en contacto con los microorganismos pre- sentes en la unidad de tratamiento, los compuestos orgánicos pueden ser remo- vidos a través de diversos mecanismos.
Los sólidos suspendidos y coloidales son removidos por adsorción y coagulación. Si son degradables, son hidrolizados por las exoenzimas. Los productos de esta hidrólisis son enzimáticamente transportados al interior de las células. Si son inertes, pasan a constituir la fracción inerte de la biomasa.
Por su parte, los compuestos que aunque solubles son de alta masa molecular deben también ser previamente hidrolizados antes de que puedan transportarse a través de la membrana bacteriana.
Los compuestos de baja masa molecular son transportados directamente al interior de las células por las enzimas correspondientes.
Los compuestos orgánicos removidos de las aguas residuales son par- cialmente oxidados, y utilizados en parte en la síntesis de constituyentes de las células y en nuevas células (figura 3.6).
Los principales productos de la oxidación son CO2, H2O y NH3. El propósito fundamental de esta oxidación es obtener la energía necesaria para las reaccio- nes de síntesis. En principio los productos de la síntesis se almacenan como
productos de reserva (polisacáridos, lípidos). Con posterioridad son utilizados para la constitución de nuevas células.
Fig. 3.6. Mecanismo de la oxidación biológica.
No obstante que la producción de biomasa generalmente no es el objetivo del tratamiento biológico de los residuales (aunque puede serlo en alguna situa- ción particular), su formación en cierta cantidad es inevitable. En procesos aerobios Mc Carty1 ha obtenido valores de rendimiento (Y) (biomasa produci-
da/DBO removida), que varían entre 0,30 y 0,51 para glucosa, anilina, lactato y acetato. Por otra parte, Servizi y Bogan han presentado valores de rendimiento GH SDUDXQDYDULHGDGGHFRPSXHVWRVPLHQWUDVTXH(FNHQIHOGHU\2¶&RQQRU muestran valores de este parámetro entre 0,37 y 0,46 para muchos compuestos biodegradables.
Para los procesos anaerobios, como la producción de energía es menor, también es menor la cantidad de esta que se dedica a la producción de biomasa. En estos casos, el rendimiento apenas alcanza valores comprendidos entre 0,032 y 0,27.6
3.3.3. Sustrato exógeno y endógeno
Teniendo en cuenta que los compuestos orgánicos contenidos en el agua residual sirven como fuente de energía a los microorganismos, son denominados sustratos. Los sustratos se clasifican como exógenos (fuera de la célula bacteriana) y endógenos (en el interior de la célula bacteriana).
Cuando el sustrato exógeno se agota, los microorganismos oxidan el sustrato endógeno. En una primera etapa estos sustratos endógenos sirven como material de reserva y cuando se agota, comienza la oxidación de las proteínas. Si los microorganismos constituyentes de la biomasa se mantie-
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nen durante un cierto tiempo sin sustrato exógeno, muchos de ellos morirán. La masa remanente puede llegar a contener menos del 10 % en peso de organismos vivos, y será relativamente estable a la descomposición poste- rior. Este fenómeno es utilizado en la práctica para la estabilización aerobia de los lodos.
La oxidación del sustrato exógeno puede ser descrita según la ecuación: O H 2 1 CO O 2 1 4 1 O H Cx y z X Y Z¸ 2 oX 2 Y 2 ¹ · ¨ © § (3.7)
La oxidación del sustrato endógeno puede representarse:
3 2 2 2 2 7 5H NO 5 O 5 CO 2 H O NH C n o n n n (3.8)
La fórmula empírica C5H7NO2 representa la composición media de la materia volátil celular. Esta biomasa contiene 12,3 % de nitrógeno y teóricamente requiere 1,42 g de oxígeno por cada gramo de biomasa totalmente oxidado. Aunque la fórmula empírica anterior, de Hoover y Porges, es la más difundida, hay muchas otras que también se utilizan. No obstante en la práctica el equivalente de oxígeno de biomasa volátil varía en el intervalo comprendido entre 1,3 y 1,5 gg±.