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Figura 1.3.- Sucesión de microorganismos en un sistema biopelícula (Reproducida de Iwai y Kitao, 1994).

El espesor que puede alcanzar una biopelícula depende de muchos factores: de la carga orgánica aplicada (biopelículas heterótrofas), del esfuerzo cortante hidrodinámico, tipo de sustrato, tipos de microorganismos, pH, temperatura, rugosidad del soporte, edad de la biopelícula, etc.

30 60 90 120 500 1000 1500 Densidad 120

Espesor de la biopelícula (micras). (mg/cm )3

Una biopelícula puede evolucionar hasta un espesor máximo (correspondiente con las condiciones ambientales a las que está sometida), resultado del equilibrio entre la acumulación (crecimiento) y el desprendimiento, o bien oscilar en un cierto rango consecuencia de la variación brusca del espesor debido a desprendimientos masivos.

La “concentración” media de las biopelículas, es decir peso materia seca por unidad de volumen de biopelícula (llamada “densidad” por la traducción textual del término inglés “density”), empleadas en depuración de aguas residuales varía desde valores tan bajos como 10 kg/m3 hasta valores de 105 kg/m3 (Characklis, 1989; Osa et al., 1997). Además, en una misma biopelícula se puede dar un perfil de densidades, tal como han observado Hoehn y Ray (1973) o Zhang et al. (1995). Por ejemplo, Zhang et al. (1995) observaron densidades entre 8 y 147 kg/m3. Las mayores densidades se presentan en las capas próximas al soporte (Fig. 1.4).

1.1.1.- Tipología de reactores biopelícula

Pese a su denominación común y a sus características de depuración, los procesos biopelícula presentan una gran variedad de instalaciones. En cualquier tecnología biopelícula, como lechos sumergidos, biodiscos (RBC, por sus siglas en inglés) o lechos bacterianos; la forma, tamaño, material y método de instalación del soporte de la biopelícula son extremadamente diversos. Además estos procesos pueden ser aplicados como procesos de depuración tanto aerobia como anaerobia, excepto los procesos de lechos bacterianos. Por lo que, los procesos biopelícula pueden ser aplicados a una gran variedad de tipos de aguas residuales.

Dada la gran variedad de reactores biopelícula, resulta compleja su clasificación. En la tabla siguiente se presenta una clasificación basada en si el material soporte se encuentra sumergido o no en el seno líquido.

Desde otro punto de vista, los procesos biopelícula se clasifican en procesos aerobios, anaerobios y/o anóxicos. Para que los lechos sumergidos sean aerobios se hace indispensable algún equipo de aireación, tal como una soplante de aire o un aireador mecánico. A los filtros sumergidos aerobios de lecho fijo se les denomina en ocasiones procesos de oxidación por contacto, de aireación por contacto, de filtrado por contacto, o de filtrado biológico. En los casos en los que se emplea un filtro biológico sumergido como proceso anaerobio, es

frecuente que la única operación necesaria consista en pasar el agua residual a través del filtro. Los biodiscos se emplean como tratamientos aerobios cuando los discos están parcialmente expuestos a la atmósfera, y como tratamientos anóxicos en caso contrario, es decir, totalmente sumergidos. Los reactores de medio no sumergido, como los lechos bacterianos, sólo pueden ser aerobios.

Tabla 1.1.- Clasificación de reactores biopelícula (Adaptada de Tejero et al., 1995)

A.- Medio no sumergido

o Lechos bacterianos o filtros percoladores

o Biotorres o torres biológicas

o Filtro intermitente de arena

o Tratamiento por aplicación al terreno

B.- Medio sumergido

o De soporte móvil (en operación o en lavado)

 Biofiltros aireados

 Lecho expandido

 Lecho fluidizado

 Fangos activos con medio soporte móvil (procesos híbrido)

o De soporte fijo

 Soporte rígido, estructurado o no (proceso BLASF)

 Soporte permeable a gases: reactores de membrana aireada

 Humedales

 Fangos activos con medio soporte fijo (procesos híbrido)

C.- Medio intermitentemente sumergido

o Biodiscos

o Biocilindros

No obstante, incluso en los procesos biopelícula aerobios coexisten microorganismos aerobios y anaerobios. Esta observación puede ser hecha igualmente en los procesos de fangos activos, en los cuales la zona exterior de los flóculos será aerobia, mientras que la interior podría ser anaerobia, especialmente cuando el nivel de oxígeno disuelto en el seno líquido (licor mezcla) es reducido. Sin embargo, en los procesos biopelícula es mucho más frecuente, si cabe, la coexistencia de ambos tipos de microorganismos, puesto que el espesor medio de una biopelícula es muy superior al radio medio de los flóculos, y así el oxígeno disuelto penetra por difusión solo en la zona próxima a la superficie de la película. De lo

antedicho se deduce que en un solo proceso coexisten diferentes condiciones ambientales (perfil de concentración de los diferentes nutrientes) (Fig. 1.5), y con ellas, se desarrollan diferentes tipos de microbios en un sistema de tratamiento mediante biopelículas.

agua residual ácidos orgánicos NO3- NO2- aerobia anaerobia soporte biopelícula DBO NH4+ O2 H2S N2 agua residual ácidos orgánicos NO3 - NO2 - aerobia anaerobia biopelícula DBO NH4 + O2 H2S N2 membrana (a) (b)

Figura 1.5.- Ejemplo de perfil de nutrientes y estratificación de una biopelícula. (a): convencional. (b): biopelícula sobre membrana aireada.

En general, las biopelículas convencionales son anaerobias total o parcialmente, incluso cuando se emplean para procesos aerobios (Iwai y Kitao, 1994). Como se muestra en la Figura 1.6, la capa exterior de una biopelícula es aerobia, siendo anaerobia la interna. El espesor de la capa aerobia es constante bajo condiciones de funcionamiento también constantes, porque si el espesor de la capa aerobia aumenta debido al crecimiento microbiano, el fondo de esta capa aerobia se hace anaerobio en un espesor igual. Las capas anaerobias parecen contribuir a la licuefacción de los sólidos de la película, repercutiendo en una reducciónde la producción de fangos en exceso. Además, la coexistencia de las capas aerobia y anaerobia es conveniente para la eliminación biológica del nitrógeno, la cual se verifica por el efecto conjunto de reacciones aerobias (nitrificación) y anóxicas (desnitrificación).

En una biopelícula convencional en la cual existen ambas capas, se supone que los perfiles de concentración de nitrógeno amoniacal y nitrato son como se indica en la Figura 1.7. Una parte del nitrato producido en la zona aerobia es transferida al seno líquido, pero otra llega a la zona anaerobia en donde se transforma en nitrógeno gaseoso mediante desnitrificación.

Generalmente, cuanto mayor es la concentración de oxígeno disuelto en el líquido, más gruesa será la capa aerobia y mayor será el grado de nitrificación, pero decrecerá el nivel de nitrato desnitrificado porque el pico de concentración de nitrato se desplazará hacia el interior de la película debido al descenso de espesor de la zona anaerobia. Por el contrario, si la concentración de oxígeno disuelto en el líquido es reducida, se producirá más desnitrificación, pero se retardará la nitrificación. En definitiva, hay una concentración óptima de oxígeno disuelto en el líquido que proporciona una eliminación máxima de nitrógeno. Por esta razón se requiere un grado adecuado de aireación con el fin de obtener una eliminación máxima de nitrógeno.

(c) película muy gruesa (el espesor aerobio es igual al de (b)) (b) película gruesa (aerobia y anaerobia (a) película fina (sólo aerobia)

Figura 1.6.- Estratos aerobios y anaerobios de una biopelícula convencional (Adaptada de Iwai y Kitao, 1994)

Para compensar estos inconvenientes, se requiere una superficie de biopelícula tan extensa como sea posible, para mantener así una biomasa total que funcione con la mayor eficacia posible, para un espesor activo dado. Para ello la superficie específica del soporte (m2 superficie soporte/m3 ocupado) debe ser lo suficientemente grande, lo que se logra empleando soportes de pequeño tamaño y/o formas complejas. Pero, hay que tener en cuenta que una gran superficie específica puede implicar una rápida colmatación del medio. Con objeto de atenuar la naturaleza limitadora por difusión de los procesos biopelícula, es importante mantener el espesor total de la biopelícula lo suficientemente reducido maximizando la superficie de película por unidad de volumen de reactor. Es importante

aumentar todo lo posible la velocidad del fluido sobre la superficie de la biopelícula para reducir así la resistencia al transporte de materia. No es razonable, por el contrario, elevar la velocidad del fluido por encima del valor necesario para un funcionamiento normal del reactor, ya que esto demanda un elevado consumo de energía. El diseño del reactor debe buscar que la velocidad del fluido sea uniforme en cualquier punto de su interior.

N-NO3- superficie de la biopelícula anaerobia N-NH4+ concentración aerobia

Figura 1.7.- Perfil de concentración de amonio y nitrato en una biopelícula convencional