El tratamiento biológico anaerobio de las aguas residuales es un mecanismo mediante el cual los compuestos orgánicos biodegradables (materia orgánica), en forma de sólidos no sedimentables coloidales y disueltos, son degradados o removidos parcialmente por acción de microorganismos, en ausencia de oxigeno
molecular; mediante su conversión en gases y biomasa.7 El proceso anaerobio es
menos eficiente en producción de energía que el aerobio, puesto que la mayoría de la energía liberada en el catabolismo anaerobio proveniente de la sustancia descompuesta aún permanece en los productos finales orgánicos reducidos como el metano, generándose una cantidad de biomasa mucho menor que la producida
en el proceso aerobio.8 En la siguiente tabla numero 3 se muestra una
clasificación de los procesos de tratamiento anaerobio.
7
BALDA Roberto, MANCIPE Néstor, GONZÁLEZ Javier. Análisis comparativo entre medios de soporte fijo (guadua y piedra pómez junto con plantas macrófitas) y medios de soporte fijo únicamente, en reactores de flujo a pistón para remoción de fenoles y materia orgánica en aguas residuales. Propuesta de Investigación. Bogotá. Universidad de La Salle. Facultad de Ingeniería Ambiental. 2008
8
ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales: Teoría y principios de diseño. Escuela Colombiana de Ingeniería, 2004.p.233
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Tabla 3: Clasificación de los procesos de tratamiento anaerobio.
PROCESOS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO Procesos de crecimiento
en suspensión
Procesos híbridos de crecimiento en suspensión y película bacterial adherida
Procesos de película bacterial adherida Digestión con mezcla completa Procesos de contacto anaerobio Manto de lodos anaerobio de flujo ascendente Reactor de manto de lodos con flujo
ascendente / lecho fijo Lagunas anaerobias Procesos de lecho fijo Procesos de lecho expandido / lecho fluidizado Fuente: CRITES y TCHOBANOGLOUS, 2000.
1.2.1. Proceso microbiológico
La conversión biológica de materia orgánica bajo condiciones anaerobias generalmente ocurre en tres pasos: 1) Hidrólisis, 2) Acetogénesis y 3) Metanogénesis.
Hidrólisis: En esta fase „un grupo de microorganismos se encarga de hidrolizar
polímeros orgánicos y lípidos para conformar bloques estructurales como los
monosacáridos, amino ácidos que son una fuente de energía.‟9
Acetogénesis: En este paso un grupo de microorganismos conocidos como microorganismos formadores de ácido o acetogénicos, metabolizan los sustratos monoméricos dentro de la célula hasta convertirlos en ácidos grasos con bajo número de carbonos como el ácido acético, fórmico, propiónico y butírico, así
como compuestos reducidos como el etanol, además de H2 y CO2. El resultado
total de la fermentación es la conversión de sustratos neutros, tal como azúcares y
aminoácidos en ácidos orgánicos relativamente fuertes.10
Metanogénesis: Esta fase final consiste en la formación de gas metano y dióxido de carbono, por un tercer grupo de microorganismos que convierten el hidrógeno y el acido acético provenientes una parte de la fermentación y otra de la acetogénesis.
9
CRITES, Ron. y TCHOBANOGLOUS, George. Small and decentralized wastewater management systems. McGraw-Hill: California, 1998.p.498
10
RODRÍGUEZ MONROY, Ingrith Dianey. y MÉNDEZ HERNÁNDEZ, Cesar Alejandro. Análisis comparativo entre medios de soporte fijo de plástico, grava y guadua, en reactores anaerobios de flujo a pistón para el tratamiento de agua residual doméstica. Trabajo de grado. Bogotá. Universidad de La Salle. Facultad de Ingeniería Ambiental y Sanitaria; 2004.
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1.2.2. Ventajas del Tratamiento Anaerobio
Los tratamientos anaerobios presentan características favorables con respecto a los tratamientos aerobios en relación con el balance de la materia orgánica y generación de lodos, ya que la digestión anaerobia 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 no existir oxidación, se tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la materia orgánica digerida (90 – 97%), una mínima
parte de la DQO es convertida en lodo (2 – 12%). Por su parte en el tratamiento
aerobio, se llevan a cabo procesos catabólicos oxidativos que requieren la presencia de un oxidante de la materia orgánica y normalmente éste no está presente en las aguas residuales; él requiere ser introducido de manera artificial; adicionalmente, la mayor parte de la DQO de la materia orgánica es convertida en lodo, que cuenta con un alto contenido de material vivo el cual requiere ser estabilizado (Romero, 2000).
En la tabla número 4 se confrontan las ventajas y desventajas de los tratamientos anaerobios y los tratamientos aerobios.
Tabla 4: Ventajas y desventajas de los sistemas biológicos de tratamiento.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS
AE
RÓ
BICO
S VENTAJAS
Cortos tiempos de estabilización.
Monitoreo de eficiencia mediante protozoos indicadores. Baja emisión de olores.
Tiempos cortos de retención. Poco espacio.
Alta eficiencia de remoción de materia orgánica. DESVENTAJAS
Exige personal operativo con cierto nivel de competencia. Costos operativos altos.
Equipo mecánico.
Estricto control de temperatura.
ANAERÓ
BI
CO
S
VENTAJAS
Costos de operación relativamente bajos. Poco equipo mecánico.
Poco requerimiento de nutrientes.
DESVENTAJAS
Mayor tiempo de estabilización.
Mayor tiempo de contacto con los microorganismos. Estricto control de la alcalinidad, pH, temperatura. Olores molestos por mala operación.
Personal capacitado para su operación Fuente: Los autores 2009.
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1.2.3. Reactor Anaerobio de Flujo a Pistón (RAP)
El reactor anaerobio de flujo a pistón es un sistema de tratamiento de aguas residuales de película fija, en el cual dichas aguas se ponen en contacto con una población microbiana mixta, en forma de una biopelícula adherida a la superficie
de un medio sólido de soporte. 11
Las aguas residuales poseen nutrientes y materia orgánica que se difunden a través del liquido y entran en contacto con la biopelícula conformada por los microorganismos, que se encargan de metabolizarlos. Los sólidos en suspensión se aglomeran para conformar coloides y son degradados por los microorganismos presentes en el agua.
Este sistema es una modificación de los filtros anaerobios, ya que su principio de funcionamiento y remoción de los contaminantes orgánicos es el mismo, pero lo que caracteriza al RAP, además de poseer generalmente un compartimiento final de sedimentación, es que el régimen de flujo es de tipo pistón, en el cual el fluido se desplaza y sale del tanque en la misma secuencia en la cual entra; las partículas del fluido no retienen su identidad al paso de la unidad y permanecen en el reactor en la medida en que se van digiriendo hasta completar un periodo igual
al tiempo teórico de retención hidráulica.12
Figura 1. Corte transversal de un reactor anaerobio de flujo a pistón (RAP).
Fuente: BALDA. 2004.
11BALDA Roberto, MANCIPE Néstor, GONZÁLEZ Javier. Análisis comparativo entre medios de soporte fijo (guadua y piedra pómez junto con plantas macrófitas) y medios de soporte fijo únicamente, en reactores de flujo a pistón para remoción de fenoles y materia orgánica en aguas residuales. Propuesta de Investigación. Bogotá. Universidad de La Salle. Facultad de Ingeniería Ambiental. 2008.
12
34 Los principios básicos de operación del RAP son:
Flujo a pistón
Medio inmerso con cierta porosidad para mejorar la sedimentación y propiciar mezcla de modo que exista adherencia.
Contacto directo de la superficie del agua con la atmósfera, de modo que
las bajas concentraciones de CH4 forman una especie de vacío absoluto
relativo del gas. La evacuación física del CH4 favorece la reacción de la
metanogénesis, haciéndola más rápida y favorable termodinámicamente.