Tratamiento de Aguas Residuales Por Filtros Percoladores

Contenido I.

OBJETIVOS..................................................................................................... 3

II.

INTRODUCCIÓN............................................................................................. 3

III. CONCEPTOS GENERALES.............................................................................. 4 1.

CONCEPTO DE FILTROS PERCOLADORES................................................4

2.

CLASIFICACION DE FILTROS PERCOLADORES.........................................7

3.

CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO DEL PROCESO............................8

4.

DISEÑO DE LAS INSTALACIONES.............................................................9

IV. REGLAMENTACIONES BÁSICAS Y VALORES INTERNACIONALES SOBRE PLANTAS DE TRATAMIENTOS DE AGUAS SERVIDAS...........................................13 1.

Reglamentaciones Básicas...................................................................13

2.

Valores Recomendables para la Emisión..............................................14

3.

Valores unificados para industrias........................................................14

4.

Requerimientos Mínimos – Valores de Descargas de Efluente..............15

V. MÉTODO PARA EL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS SERVIDAS EN LA PLANTA DE CHILPINA...................................................................................................... 16 1.

Proceso de Biopercolación....................................................................17

2.

Tanques de Percolación Existentes.......................................................18

3.

Proceso Operacional y Cálculos............................................................21

VI. MICROBIOLOGÍA DEL PROCESO...................................................................25 VII. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.......................................................................37 VIII.BIOQUÍMICA DEL PROCESO.........................................................................54 IX. RESULTADOS EXPERIMENTALES..................................................................67 X. CONCLUSIONES........................................................................................... 72 XI. BIBLIOGRAFÍA Y PÁGINAS WEB CONSULTADAS............................................73 ANEXO A

ESQUEMA DE LA PLANTA CHILPINA

ANEXO B

VISTA AÉREA DE LA PLANTA CHILPINA

ANEXO C MÉTODO DE DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO DBO ANEXO D MÉTODO DE DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXIGENO DQO

1

2

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR FILTROS PERCOLADORES I.

OBJETIVOS 

Conocer el proceso del tratamiento de aguas residuales por filtros percoladores.



Identificar los microorganismos que intervienen en la degradación de la materia orgánica en el proceso de tratamiento de aguas por filtros percoladores.



Estudiar y comprender los parámetros biológicos, bioquímicos, químicos y físicos del proceso de tratamiento de aguas residuales por filtros percoladores para una buena descontaminación de las mismas y cuantificar la eficiencia del proceso.

II. INTRODUCCIÓN Tratamiento de Aguas Residuales En todos los grandes centros urbanos del planeta Tierra se generan grandes cantidades de aguas negras como consecuencia del desarrollo de las actividades humanas, por lo que las principales fuentes de aguas residuales son la industria, la ganadería, la agricultura y las actividades domésticas que se incrementan con el crecimiento de la población humana. Por otra parte, en la mayoría de los países los sistemas de aguas residuales domésticas es el mismo para recibir las aguas pluviales lo cual provoca mayores problemas de contaminación porque acelera la distribución de aguas residuales a lugares no previstos para ello. Las aguas residuales son generadas por las actividades humanas y sólo en países desarrollados son tratadas parte de ellas, para eliminarles los componentes considerados peligrosos y para reducir la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) antes de ser arrojados a los conductos de aguas residuales. Sin embargo, en casi todos los países todavía las industrias arrojan las aguas de desecho a los desagües sin ningún tratamiento previo y en la mayoría de los países subdesarrollados son pocas las industrias que le dan algún tratamiento antes de ser desechadas, lo que a nivel global hace que el problema de la generación de las aguas residuales aumente a medida que crece la población, la industria y las demás actividades humanas. Los contaminantes biodegradables de las aguas residuales pueden ser degradados mediante procesos naturales o en sistemas de tratamientos hechos por el hombre, en los que acelera el proceso de descomposición de la materia orgánica con microorganismos. 3

Se le llama tratamiento primario de aguas negras al proceso que se usa para eliminar los sólidos de las aguas contaminadas; secundario, al que se usa para reducir la cantidad de materia orgánica por la acción de bacterias (disminuir la demanda bioquímica de oxígeno) y terciario, al proceso que se usa para eliminar los productos químicos como fosfatos, nitratos, plaguicidas, sales, materia orgánica persistente, entre otros. Entre las disciplinas que participan en los proceso de tratamientos de aguas contaminadas se encuentran: ingenierías y ciencias exactas (ingeniería química, ingeniería civil, ingeniería mecánica y eléctrica, química y física), ciencias de la vida (biología , biología marina, microbiología, bacteriología), ciencias de la tierra (geología, hidrología, oceanografía) y, ciencias sociales y económicas (leyes, sociología, ciencias políticas, relaciones públicas, economía y administración). La motivación del presente trabajo está dado por el gran interés que se tiene en el estudio de la implementación y puesta en marcha de procesos que utilicen microorganismos en el tratamiento de aguas residuales, con la mínima utilización de productos químicos que puedan contaminar o dañar el equilibrio ecológico y ser fuente de contaminación ambiental. Por ello la ingeniería química debe enfocarse en el desarrollo de los bioprocesos, los cuales no sólo representan una gran ventaja en lo que se refiere a un tratamiento adecuado y poco contaminante de deshechos, sino también una ventaja en los costos de los procesos.

III. CONCEPTOS GENERALES 1. CONCEPTO DE FILTROS PERCOLADORES El concepto del filtro percolador nació del uso de los filtros de contacto, que eran estanques impermeables rellenos con piedra machacada. En su funcionamiento, el lecho de contacto se llenaba con el agua residual desde la parte superior y se dejaba que se pusiese en contacto con el medio durante un corto período de tiempo. El lecho se vaciaba a continuación y se le permitía que reposase antes de que se repitiese el ciclo. Un ciclo típico exigía 12 horas de las cuales había 6 horas de reposo. Las limitaciones del filtro de contacto incluyen una posibilidad relativamente alta de obturaciones, el prolongado período de tiempo de reposo necesario, y la carga relativamente baja que podía utilizarse. En el filtro percolador el agua residual es rociada sobre la piedra y se deja que se filtre a través del lecho, este filtro consiste en un lecho formado por un medio sumamente permeable al que los microorganismos se adhieren y a través del cual se filtra el agua residual. El tamaño de las piedras de que consta el medio filtrante está entre 2.5 – 10cm de diámetro, la profundidad de estas varía de acuerdo al diseño particular, generalmente de 0.9 – 2.4m con un promedio de profundidad de 1.8m. Ciertos filtros percoladores usan medios filtrantes plásticos con profundidades de 9 – 12m. Actualmente el lecho del filtro es circular y el residuo líquido se distribuye por encima del lecho mediante un distribuidor giratorio, antes el lecho era rectangular y el agua residual se distribuía mediante boquillas rociadoras fijas cada uno de los filtros posee un sistema de desagüe inferior 4

el cual recoge el agua tratada y los sólidos biológicos que se han separado del medio, este sistema de desagüe es importante tanto como instalación de recogida como por su estructura porosa a través de la que el aire puede circular.

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Vista esquemática de un filtro percolador La materia orgánica que se halla presente en le agua residual es degradada por la población de microorganismos adherida al medio, esta materia es absorbida sobre una capa viscosa (película biológica), en cuyas capas externas es degradada por los microorganismos aerobios, a medida que los microorganismos crecen el espesor de la película aumenta y el oxígeno es consumido antes de que pueda penetrar todo el espesor de la película, por lo que se establece un medio ambiente anaerobio, cerca de la superficie del medio, conforme esto ocurre las materia orgánica absorbida es metabolizada antes de que pueda alcanzar los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante. Como resultado de nos disponer de una fuente orgánica externa de carbón celular, los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante se hallan en la fase endógena de crecimiento, en la que pierden la capacidad de adherirse a la superficie del medio. En estas condiciones el líquido a su paso a través del medio filtrante arrastra la película y comienza el crecimiento de una nueva, esta pérdida de la película es función de la carga hidráulica y orgánica del filtro, donde la carga hidráulica origina las velocidades de arrastre y la orgánica influye en las velocidades del metabolismo de la película biológica, en base a estas cargas hidráulica y orgánica los filtros pueden dividirse en dos tipos: de baja y alta carga. La comunidad biológica presente en un filtro se compone principalmente de protistas, incluyendo bacterias facultativas, aerobias y anaerobias, hongos, algas y protozoos. Suelen también encontrarse algunos animales superiores como gusanos, larvas de insectos y caracoles. Los microorganismos predominantes en el filtro percolador son las bacterias facultativas, las que con las bacterias anaerobias y aerobias, descomponen la materia orgánica del agua residual, los hongos son los causantes de la estabilización del agua residual, pero su contribución es importante solo a un pH bajo o con ciertas aguas residuales industriales, las algas crecen únicamente en las capas superiores del filtro a donde llega la luz solar, esta es la razón por la que las algas no toman parte directa en la degradación de residuos, pero durante el día añaden oxígeno al agua residual que se está filtrando, sin embargo, desde el punto de vista operacional las algas pueden causar el taponamiento de la superficie del filtro por lo que se consideran un estorbo. De los protozoos que se encuentran en el filtro los del grupo ciliata son los predominantes su función no es estabilizar el agua residual sino controlar la población bacteriana. Los animales superiores se alimentan de las capas biológicas del filtro, ayudando así a mantener la población bacteriana en estado de gran crecimiento o rápida utilización del alimento. Las poblaciones individuales de la comunidad biológica sufrirán variaciones en toda la profundidad del filtro en función de los cambios en la carga orgánica hidráulica, composición del agua residual afluente, disponibilidad del aire, temperatura, pH y otros.

6

La instalación de sedimentación es muy importante en el proceso del filtro percolador, pues es necesaria para eliminar los sólidos suspendidos que se desprenden durante los períodos de descarga en los filtros, si se utiliza recirculación una parte de estos sólidos sedimentados podría ser reciclado y el resto debe desecharse, pero la recirculación de los sólidos sedimentados no es tan importante en este proceso, la mayoría de los microorganismos se adhieren al medio filtrante, la recirculación podría ayudar a la inoculación del filtro, sin embargo, los objetivos principales de ésta son disminuir las aguas residuales ya hacer que el efluente del filtro se ponga en contacto de nuevo con la población para el tratamiento adicional, la recirculación casi siempre forma parte de los sistemas de filtros percoladores de alta carga. 2. CLASIFICACION DE FILTROS PERCOLADORES Los filtros percoladores se clasifican, según su carga hidráulica y su carga orgánica en dos tipos: a) FILTRO DE BAJA CARGA Es un dispositivo relativamente sencillo y de funcionamiento sumamente seguro, que produce una cantidad estable de efluente, sin perjuicio de que el efluente sea de naturaleza cambiante. Predomina en él una gran población de bacterias nitrificantes, por lo que el efluente es pobre en amoníaco y rico en nitritos y nitratos, La pérdida de carga a través del filtro puede ser 1.5 – 3m, lo que puede ser un impedimento si el terreno es demasiado plano para permitir la circulación por gravedad. Con una pendiente favorable, la posibilidad de utilizar la circulación por gravedad es una ventaja. Sin embargo, los filtros de este tipo también tienen algunos inconvenientes. Los olores son un problema frecuente, especialmente si el agua residual es poco reciente o séptica o si el tiempo es cálido. Los filtros no deberán colocarse en donde los olores puedan causar problemas. Las moscas (psychoda) se desarrollarán en los filtros, a menos que se tomen medidas de precaución para su control.

b) FILTRO DE ALTA CARGA La recirculación del efluente final o efluente del filtro permite la aplicación de mayores cargas orgánicas. La recirculación del efluente desde el clarificador del filtro percolador permite que este tipo de filtro alcance la misma eficiencia de eliminación que los filtros normales o de baja carga. La recirculación del efluente alrededor del filtro da como resultado el retorno de organismos viables. Se ha observado que éste método de operación mejora, con frecuencia, la eficiencia del tratamiento. La recirculación evita la obstrucción del filtro y reduce los problemas derivados del olor y las moscas. 3. CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO DEL PROCESO

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Al diseñar filtros percoladores, se debe considerar tanto las cargas orgánicas como las hidráulicas, así como el grado requerido de purificación. La fórmula de Velz relaciona la eficiencia de tratamiento con la profundidad del medio de

LD  103.3 KD L Donde: L = DBOL, aplicada que es eliminable, no por encima de 0.90L O, siendo LO la DBO aplicada. LD = fracción del a DBOL que permanece a la profundidad D K = tasa de eliminación (0.715 para filtros de baja carga, 0.15 para filtros de alta carga) D = profundidad, en m Cuando se use recirculación, la DBO a aplicada se calcula mediante la ecuación que sigue:

L  Donde:

LO  RLe 1 R

L = DBOL aplicada a tras dilución por recirculación.

LO = DBOL de agua residual sin tratar Le = DBOL del efluente R = relación de recirculación Qr / Q Las ecuaciones del NRC para el rendimiento de filtros percoladores son expresiones empíricas desarrolladas en base a un estudio exhaustivo de los registros de funcionamientos de plantas con dichos filtros. Las fórmulas son aplicables a sistemas de fase única y de múltiples fases, con distintos factores de recirculación, la ecuación para un filtro de una sola fase o para la primera fase de una serie será:

E1 

1 1  0.443 WV / F

Donde: E1 = eficiencia de la eliminación DBO para el proceso, incluyendo recirculación y sedimentación W = carga de DBO al filtro, en Kg/día D = volumen del medio filtrante en m3 F = factor de recirculación

El factor de recirculación se calcula utilizando la ecuación siguiente: 8

F

1 R 1  R /10 2

El factor de recirculación representa el promedio de pasadas de la materia orgánica afluente a través del filtro. El término R/10 tiene en cuenta la observación experimental de que la facilidad de eliminación de la materia orgánica parece decrecer cuando aumenta el número de pasadas.

Para un filtro de segunda fase la ecuación será:

E2 

1 0.443 W ' 1 1  E1 VF

Donde: E2 = eficiencia de la eliminación de DBO para un proceso de filtración de segunda fase, incluyendo recirculación y sedimentación. W’ =carga de DBO al filtro de segunda fase, Kg/día.

4. DISEÑO DE LAS INSTALACIONES Los factores a considerar en el diseño de filtros percoladores son: a) Tipo y características de alimentación del sistema de distribución. b) Tipo de medio filtrante a utilizar. c) Configuración del sistema de drenaje inferior. d) Provisión de la ventilación adecuada, bien por corriente de aire natural de aire o forzada. e) Diseño de los depósitos de sedimentación requeridos. a) SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN El distribuidor rotativo en filtro percolador se ha convertido en un elemento estándar del proceso por su fiabilidad y facilidad en el mantenimiento. Este consiste en dos o más brazos montados sobre un pivote en el centro del filtro que giran en el plano horizontal, los brazos son huecos y tiene boquillas por las que se descarga residual sobre el lecho del filtro, el distribuidor puede ser impulsado por un motor eléctrico o por la reacción dinámica del agua residual que descarga por las boquillas. La velocidad de giro variará con el caudal en la unidad accionada por reacción, pero deberá ser del orden de una vuelta cada 10min, o menor en un 9

distribuidor de dos brazos, la distancia entre el fondo del brazo del distribuidor y la parte superior del lecho deberá ser de 15 – 22cm, esto permitirá que le agua residual salga de las boquillas, se extienda y cubra de forma uniforme todo el lecho, evitando así que en época de heladas el hielo acumulado interfiera con el movimiento del distribuidor. Los brazos del distribuidor de sección transversal constante en las unidades pequeñas o de sección decreciente para una velocidad mínima de transporte, las boquillas deberán ser espaciadas de forma irregular, para así conseguir más flujo por unidad de longitud cerca de la periferia que en el centro, el flujo por unidad de longitud deberá ser proporcional a la distancia del centro del filtro para obtener una distribución uniforme sobre toda la superficie del filtro. La pérdida de carga a través del distribuidor es del orden de 0.6 – 1.5m. Los distribuidores se fabrican para lechos con diámetros de hasta 60m. Las características más importantes que se debe tener en cuenta al elegir un distribuidor son: 

Robustez de construcción.



Facilidad de limpieza.



Capacidad de manejar grandes variaciones de caudal manteniendo la adecuada velocidad de giro.



Resistencia a la corrosión.

Se puede usar tanques de alimentación de operación intermitente o recirculación para así asegurar que el caudal mínimo será suficiente para hacer girar el distribuidor y descargar el agua residual por las boquillas, puede instalarse distribuidores de 4 brazos con sistemas de vertedero que limita el caudal a dos brazos durante dos caudales mínimos. b) MEDIOS FILTRANTES Un material de elevada área superficial por unidad de volumen, que sea económico y duradero y que no se obstruya fácilmente es el medio filtrante ideal. El material más aconsejable suele ser graba o piedra triturada clasificada por tamaño uniforme, generalmente 2.5 – 7.5cm, al roca volcánica es también conveniente, también se usa materiales tales como escoria, cenizas o antracita, piedras de diámetro inferior a 2.5cm no son aconsejadas, pues el espacio de poros entre las piedras que permiten la libre fluencia del agua residual y los sólidos arrastrados serán insuficientes y darán, como resultado la obstrucción del medio y el estancamiento de agua dentro del filtro o en la superficie, si las piedras tiene un diámetro grande se evita el problema de la obstrucción pero al tener un área superficial relativamente pequeña por unidad de volumen, no pueden soportar una población biológica grande; por esas causas la uniformidad del tamaño es un modo de asegurar el espacio adecuado de 10

los poros. Las especificaciones dentro de una gama de tamaño de 2.5 – 7.5cm son por lo general, más restrictivas, como por ejemplo las de 2.5 – 5cm, o 3.15 – 7cm. Una de las características más importantes de un medio filtrante es su resistencia y durabilidad, esta última puede determinarse mediante un ensayo de sulfato de sodio el que se usa para probar la consistencia de los agregados de hormigón. Medios sintéticos para el tratamiento de residuos industriales fuertes se han utilizado con éxito recientemente, estos consisten en láminas de plástico entrelazadas dispuestos como un panal de miel para producir unos medios sumamente porosos y antiobstrucción, este tipo de medio filtrante puede ajustarse a cualquier configuración de filtro, se pueden construir filtros de hasta 6m de profundidad. La elevada capacidad hidráulica y resistencia a obstrucciones de estos medios sintéticos se aprovechan mejor en un filtro de alta carga. c) DRENAJE INFERIOR El sistema de recogida recibe el agua residual filtrada y los sólidos descargado del medio filtrante y los lleva a un conducto que se prolonga hasta el tanque de sedimentación final, el sistema está compuesto de la solera del filtro del canal de recogida y de los drenes inferiores. Los drenes inferiores están compuestos de bloques de arcilla vitrificada, con las partes superiores granuladas que admiten agua residual y soportan el medio filtrante, el cuerpo del bloque consta de dos o tres canales con las partes inferiores curvadas, las que forman los canales de drenaje inferior cuando se extienden de lado a lado y cubren toda la solera del filtro. Los drenes se colocan directamente sobre la solera del filtro, que tiene una pendiente de 1 a 2% hacia el canal colector con el fin de facilitar la inspección, y evitar las obstrucciones, los drenes pueden estar abiertos en ambos extremos, los drenes se limpian con una descarga de agua. Otra función de las drenes inferiores es ventilar el filtro, proporcionando así aire para los microorganismo que viven en la película biológica de este y deberán estar abiertos al menos a un canal periférico para la ventilación de la pared así como al canal colector central. d) VENTILACIÓN La ventilación normal tiene lugar por gravedad dentro del filtro, al existir generalmente una diferencia de temperatura entre el agua residual y el medio ambiente habrá un proceso de intercambio de calor dentro del lecho del filtro, el cambio de temperatura del aire dentro del filtro provoca un cambio de densidad y así se establece una corriente de convección, la dirección del flujo depende de las temperaturas relativas del aire y del 11

agua residual, si la temperatura del aire es mayor que la del agua residual el flujo de aire a través del filtro será descendente, si el aire está más frío que le agua, el flujo de aire será ascendente. La ventilación natural ha resultado ser eficaz para los filtros percoladores, siempre que se tomen las siguientes precauciones:     

Los drenes inferiores y canales de recogida deben diseñarse para que fluyan llenos solamente hasta la mitad de su altura, proporcionando así paso al aires. En ambos extremos del canal central de recogida se instalarán cámaras de registro para la ventilación, provistas de tapas de rejilla abierta. Los filtros de gran diámetro deberán tener canales colectores secundarios con orificios o chimeneas de ventilación situados cerca dela periferia del filtro. La zona abierta de las ranuras, en la parte superior de los bloques de los drenes inferiores, no será inferior al 15% del área del filtro. Por cada 25m2 del área del filtro deberá proporcionarse un área total de 0.1m2 de rejilla abierta en las cámaras y chimeneas de ventilación.

En el caso de filtros extremadamente profundos o sumamente cargados es recomendable la ventilación forzada si se proyecta, instala y hace funcionar adecuadamente. Con el fin de evitar la congelación, en épocas de temperatura muy baja conviene limitar el flujo de aire a través del filtro, la cantidad de aire requerida por un filtro es de 0.03m 3/min*m2 de área del filtro. Los filtros se diseñan de tal forma que todo el medio filtrante pueda inundarse con agua residual y, a continuación, desaguarse sin provocar rebosamiento. La inundación es un método eficaz de lavar el filtro, corregir el estancamiento y controlar la acumulación de las larvas de moscas en el filtro.

e) TANQUES DE SEDIMENTACIÓN Su función es producir un efluente clarificado, todo le fango existente en los tanques de sedimentación de los filtro percoladores es extraído y enviado a las instalaciones de tratamientos de fangos, en el diseño de estos tanques la carga de superficie se basa en le caudal de planta más el de recirculación menos el flujo de sólidos hacia el fondo del tanque, el que con frecuencia es ignorado, la carga superficial a caudal punta no debe exceder los 48m3/día.m2.

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CARACTERÍSTICAS OPERACIONALES LOS FILTROS PERCOLADORES

FACTOR

FILTRO BAJA CARGA

FILTRO ALTA CARGA

1.12 a 4.5

11.2 a 45

Carga orgánica, en DBO5/m3.día

1 a 3.3

3.3 a 16.5

Profundidad, en m

1.8 a 3

0.9 a 2.4

Ninguna

1:1a4:1

Volumen de piedra

5 a 10 veces

1

Moscas en el filtro

Muchas

Pocas, las larvas son eliminadas

Arrastre de sólidos

Intermitente

Continua

Simple

Alguna práctica

No superior a 5 min (generalmente intermitente)

No superior a 15 s (continuo)

Totalmente nitrificado

Nitrificación a bajas cargas

Carga hidráulica, en miles de m3/ día

Recirculación

Operación Intervalo de alimentación Efluente

IV. REGLAMENTACIONES BÁSICAS Y VALORES INTERNACIONALES SOBRE PLANTAS DE TRATAMIENTOS DE AGUAS SERVIDAS 1. Reglamentaciones Básicas La ampliación de los sistemas de alcantarillado en ciudades en continuo desarrollo como Arequipa, el incremento de industrias, el establecimiento de rellenos sanitarios y otras medidas para la disposición de aguas servidas, han provocado una situación en la cual el caudal de aguas servidas, que comúnmente se descarga a las aguas naturales, sobre todo el caso del Río Chili, sobrepasa la capacidad de autopurificación natural de éstas últimas. Con el transcurso del tiempo, en todo el mundo, ha sido necesario introducir regulaciones legislativas destinadas a reglamentar los parámetros de calidad de los vertidos líquidos que vayan a ser descargados a masas de agua de forma directa o indirecta, a fin de evitar así la contaminación y la sobrecarga impuesta a las aguas naturales por sustancias contaminantes y dañinas. En estas reglamentaciones se ha definido los rangos y límites máximos permisibles, como: 13



Parámetros Físico-químicos - Demanda Bioquímica de Oxígeno DBO - Demanda Química de Oxígeno - Metales Fenoles - Fósforo - Nitrógeno - Sólidos suspendidos, etc



Parámetros Biológicos Organismos coliformes fecales, etc

2. Valores Recomendables para la Emisión En la Alemania, los valores unificados de la Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA), para las aguas residuales domésticas e industriales, plantean concentraciones de descarga que pueden ser obtenidas usando métodos habituales. Estos valores están relacionados con procesos de tratamiento específicos y por lo tanto no se les puede considerar equivalentes a los requerimientos de calidad de las aguas residuales que se descargan en un cuerpo de agua. A continuación se muestran algunos valores para: Aguas residuales domésticas en clima seco: Tratamiento Biológico Completo

a) Sólidos sedimentables

:

0.3 ml/l

b) Material flotante visible

:

nada debe ser

c) Putrescibilidad

:

negativa

d) Consumo de permanganato :

100 mg/l

Se pueden permitir valores más altos si la DBO 5 está por debajo del valor dado (por ejemplo para sustancias que no se degradan fácilmente) e) DBO5

:

14

25 mg/l

3. Valores unificados para industrias Los valores unificados para todos los residuos industriales, que pueden ser significativos en los países en vías de desarrollo (como el Perú), no pueden ser fijados pues la composición de los residuos proveniente de las distintas industrias suelen presentar variaciones y fluctuaciones. En tales casos hay que verificar el origen y composición de cada uno de los residuos industriales individualmente.

4. Requerimientos Mínimos – Valores de Descargas de Efluente Además de los niveles de contaminación que especifican las normas de la LAWA, en la República de Alemania, se han definido requerimientos mínimos para la descarga de aguas residuales en cuerpos de aguas (descarga directa), en el caso de las aguas residuales municipales y de las provenientes de distintas ramas industriales. En estor requerimientos mínimos, se establecen límites de concentración o carga para los diferentes grupos de sustancias que no deben excederse antes de la descarga en un cuerpo de agua. A continuación se dan valores de referencia para algunas sustancias, en el caso de aguas residuales municipales y de las diferentes ramas industriales. Los valores se refieren a la concentración de las aguas residuales en la tubería de descarga de la Planta de Tratamiento (valores del efluente de las vertientes)

REQUERIMIENTOS MINIMOS PARA AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES Según el método “Deutsche Einheitsverfahren” Muestras según la clase(tamaño) de la planta de tratamiento

Sólidos sedimentables ml/l

Demanda química de oxígeno (DQO) mg/l

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) mg/l

Clase 1 60 Kg/d DBO5 (cruda) Muestra simple Muestra compuesta a las 2 h

0.3 -

180 120

45 30

15

Muestra compuesta a las 24 h Clase 2 60 a 600 Kg/d DBO5 (cruda) Muestra simple Muestra compuesta a las 2 h Muestra compuesta a las 24 h

0.3 -

160 110

35 25

0.3 -

140 100

30 20

Clase 3 600 Kg/d DBO5 (cruda) Muestra simple Muestra compuesta a las 2 h Muestra compuesta a las 24 h

V.

MÉTODO PARA EL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS SERVIDAS EN LA PLANTA DE CHILPINA El tratamiento de las aguas servidas (o residuales), puede llevarse a cabo mediente diferentes métodos. Todos estos métodos se basan en fenómenos físicos, químicos y biológicos. En el caso de la Planta de Tratamiento de AS Chilpina, se emplean tres métodos, definidos según su base de trabajo: mecánico, biológico y parcialmente químico (sólo cloración). Estos métodos se conocen como tratamientos convencionales. En general, el tratamiento de las Aguas Servidas de Chilpina incluye: -

La retención de las sustancias contaminadas, tóxicas y reutilizables presentes en las aguas residuales El tratamiento de agua El tratamiento del lodo (sólo secado)

El tratamiento de las AS. (independiente del tratamiento del lodo), se lleva a cabo en las siguientes etapas:

16

Los lodos derivados de los tanques Imhoff y de la clarificación secundaria, se vienen tratando en los lechos secados. El tratamiento mecánico se basa en las propiedades físicas, e influye la separación de los sólidos sedimentables presentes en las aguas y su estabilización. Este método se utiliza para realizar la preclarificación y, en algunos casos, como por ejemplo el de viviendas aisladas, para la clarificación final. Sin embargo existen nuevos métodos de tratamiento en los cuales se obvia la etapa de preclarificación (pero siempre es necesaria la separación mediante rejillas, o se la reemplaza por métodos mecánicobiológicos especiales (por ejemplo el método de adsorción-activación). El tratamiento químico consiste en la separación o transformación de las sustancias sedimentables, flotantes y disueltas mediante el uso de sustancias químicas (por ejemplo, con los tanques de precipitación). Este método rara vez se aplica en el tratamiento de aguas residuales municipales; esencialmente se les usa en casos especiales para esterilizar aguas residuales que fueron preclarificadas mecánica o biológicamente, como por ejemplo las que se descargan de determinados hospitales donde se combinan las aguas grises y las aguas de los baños o, en general, cuando se desea un tratamiento más riguroso. En el tratamiento biológico se utiliza la actividad de ciertos microorganismos para la oxidación y mineralización de sustancias 17

orgánicas presentes en las aguas residuales. Las aguas residuales procesadas con métodos de tratamiento biológico, suelen ser preclarificadas mediante métodos mecánicos.

TANQUES DE PERCOLACIÓN BIOLÓGICOS 1. Proceso de Biopercolación El proceso de biopercolación se utiliza para clarificar el agua residual a través de la acción de microorganismos y la degradación de la materia orgánica. Esto microorganismos se desarrollan en una material sólido (en la superficie) en los lechos biológicos percoladores. El agua residual para continuamente por la película de microorganismos alimentándolos, de manera que se va degradando su materia orgánica. El material de soporte de los lechos biológicos puede ser: roca, ladrillo de escorias, toba de lava o piedra volcánica, piedra pómez y todo aquel material con grandes poros o materia plástico como policloruro de vinilo, poliestireno, polietileno, etc., en placas compactas fáciles de instalar. El agua residual se distribuye al material de soporte por medio de dispositivos distribuidos adecuadamente, y debido a la gravedad, se escurre y pasa a través del lecho. El fondo del lecho está diseñado para asegurar el abastecimiento de aire u oxígeno al material de soporte. Se forma una especia de película sobre la superficie del material de soporte, constituida por los microorganismos mineralizantes del sustrato del agua residual. Precisamente, esta película o los microorganismos que la constituyen, se conoce también como “película biológica”, absorben y mineralizan las sustancias contenidas en el agua residual. El proceso de mineralización comienza aproximadamente 6 semanas después de iniciada la filtración; este periodo es necesario para la formación de la película biológica. El espesor de la película biológica aumenta (de 1 – 2 mm o más), durante la percolación del agua residual hasta que la carga hidráulica del agua la desprende. Luego, es acarreada por el efluente. La sustancia básica de esta película biológica superficial son las bacterias que se aglomeran entre sí a través de una masa gelatinosa que ellas mismas producen, adhiriéndose también al material del lecho biológico. El metabolismo de las bacterias comprende el procesamiento de las sustancias orgánicas digeribles que parcialmente son oxidadas y parcialmente transformadas en la propia sustancia celular de las bacterias. La película biológica está dada por organismos unicelulares y multicelulares, de cuyas actividades alimenticias y deposición aerobia de lodos depende la eficiencia de lecho biológico. 18

Los lechos biológicos deben ser rellenados con material de soporte, cuidadosamente, antes de iniciar la operación. También es importante que el material de soporte sea lavado justo antes de colocarlo en el lecho, cuando se emplea materiales rocosos naturales (lava, pedazos de roca, grava gruesa). Este paso es necesario para extraer componentes como arena, y así evitar la obstrucción, sedimentación y mal funcionamiento de los sistemas instalados. 2. Tanques de Percolación Existentes Tipo y Dimensiones de los tanques existentes Los lechos biológicos existentes constan de dos unidades del tipo tanque cilíndrico, en estructura de concreto armado, con filtros biológicos compuestos de relleno de piedras, pozo intermedio con tuberías de entrada de AS e instalaciones el Sistema de Distribución, y rociadores giratorios de dos brazos. Las dimensiones son las siguientes:

Las dimensiones son las siguientes: Diámetro de cada tanque

:

36,00 m

Superficie por cada lecho biológico

:

1012 m2

Altura de los filtros biológicos

:

1,83 m

Volumen por cada litro

:

1852 m3

Superficie total, dos tanques

:

2024 m2

Volumen total, dos tanques

:

3704 m3

Cada tanque tiene a los costados una cámara de inspección y una cámara de salida, de aproximadamente 3,0 m y 3,40 m de alturas, respectivamente. 19

El fondo de los tanques es cubierto de bloques de drenaje prefabricados Alrededor de las paredes de los tanques se hallan instalados tubos de ventilación de DN 200 mm, a una distancia aproximada de 6,0 m. La tubería de entrada de AS es de 24’’ de DN; la tubería de salida es de 1800 de DN. El material de soporte o capas filtrantes deben cumplir con dos propósitos. Se emplea para la adherencia de la película biológica y para formar espacios que permitan la aireación que requieren los microorganismos aerobios. Como material de soporte se emplea comúnmente materiales rocosos o de escoria de diferente granulometría, los cuales son química y mecánicamente resistentes. El material se coloca en tres capas. a)

Una capa protectora en la parte superior de los bloques de drenaje, de aproximadamente 10 a 15 cm de altura, con piedras de 60 a 100 mm de diámetro.

b)

La capa filtrante efectiva, de aproximadamente 1.50 m de altura, para los lechos biológicos con piedras de 30 a 50 mm de diámetro.

c)

La capa de distribución, en la parte superior del lecho. Tiene una altura de 0.20 m, con piedras de 20 a 30 mm de diámetro.

20

21

3. Proceso Operacional y Cálculos 3.1 Factores Biológicos El efecto biológico de los lechos está controlado por los siguientes factores: - Calidad del agua residual - temperatura - carga superficial - carga volumétrica de DBO5 - espesor del material de soporte - granulometría del material de soporte, y - aireación del lecho Los parámetros esenciales que se aplican para el dimensionamiento de los lechos biológicos son: el volumen del lecho biológico, las dimensiones (altura, diámetro) de la misma, la carga superficial, la secuencia de carga y los volúmenes de recirculación eventuales. 3.2 Carga Superficial La carga superficial, qA = m 3/m2-h = m/h, es una medida de la intensidad de la irrigación bajo condiciones normales de carga. Este factor afecta en tiempo de contacto.

t cte   H qA

donde: t = tiempo de contacto (h) H = espesor del lecho (m) cte = constante qA = carga superficial (m/h)  = coeficiente

La carga superficial qA debe ser uniforme en lo posible. Para obtener una irrigación óptima, es necesario: - Espesor del lecho H bastante alto - Rebombear o retornar el fluido otra vez, o - Diluir la carga Normalmente, el sistema más usado es el de retornar pate del efluente de los tanques de postclarificación hacia los lechos de percolación. 22

La proporción de fluido de recirculación Rv es el cociente de agua retornada y del efluente. Cuando se junta la misma cantidad de flujo de recirculación, como del efluente, se obtiene una proporción de recirculación de 100% (según K 6 K Imhoff) Relación de recirculación, según ATV Bd. IV: 50 – 100%

Q   1  Rv  gQefluente Q   1  1 g486 m 3 / h  972 m3 / h Cuando el agua residual se revierte por bombeo; es decir, cuando para por el lecho biológico más de una vez, se pueden obtener las siguientes ventajas: 

El agua residual concentrada puede diluirse y dar como resultado una DBO5 de 100 a 150 mg/l, lo cual evita la proliferación de hongos y la consiguiente obstrucción de las capas superiores del lecho biológico. Es posible obtener concentraciones óptimas del efluente (de unos 25 mg DBO 5/l, con un tratamiento biológico completo). Aquí el valor efluente de diseño es de 30 mg DBO5/l.



Se reduce los impactos de carga



Es posible mantener la carga superficial y la eficiencia del lavado al nivel necesario, utilizando bombas de retorno incluso aún cuando el volumen del afluente disminuya durante la noche, garantizando así la presión hidráulica necesaria para operar los aspersores.



La recirculación, que puede repetirse varias veces, proporciona un mayor contacto entre el agua residual y la película biológica, lo cual compensa parcialmente los periodos de contacto más breves de paso.



Con una recirculación de efluente desde los tanques de sedimentación secundarios, la distribución de la carga orgánica sobre las capas del lecho biológico está mejor balanceada, con lo cual se logra un crecimiento más uniforme de la película.



El lecho biológico puede recibir una carga más elevada.



Bajo condiciones especiales, un flujo mayor puede crear condiciones de flujo total o parcialmente turbulento, dentro del lecho biológico, ayudando a activar los procesos de adsorción y la absorción del oxígeno.



Se reduce el desarrollo de las moscas Psychoda 23



El líquido que ingresa en el sistema de tratamiento es reconstituido y desodorizado. Además, los múltiples pasos de rociado ejercen un efecto adicional de aireación.



Los periodos demasiado prologados de la fase de tratamiento preliminar se pueden reducir, mediante la recirculación, hasta niveles de concentración que eviten la descomposición del agua residual.



Los nitratos y nitritos que contienen el flujo de retorno, sirven como fuente de oxígeno en las primeras fases de degradación junto con la liberación de nitrógeno elemental y la reducción de las propiedades fertilizantes del agua residual. Una pérdida del 50 % de N2 en una sola pasada, puede elevarse de 61 a 65 %, cuando se recicla el efluente.

3.3 Carga Superficial Las dimensiones de volumen de lecho biológico se trazan, en la regla, en base a la carga volumétrica (Cv) de DBO 5, expresada en Kg de DBO 5/m3 del volumen del lecho por día (Kg/m3.d) el cual se selecciona según el nivel de clarificación que se debe alcanzar. Así, se obtiene el volumen de soporte como sigue:

V

DBO5 en el efluente (Kg/d)  m3 Carga volumétrica de DBO5 (Kg/m3 d)

Según K & K Imhoff, las cargas volumétricas son aceptables en dependencia de lo valores de los efluentes de la planta de tratamiento, según los siguientes gráficos:

24

Influencia de la carga volumétrica de DBO5 de un filtro biológico sobre la concentración del efluente, según Rincke

25

3.3 Control Según Nomograma de Rincke Rincke ha desarrollado un práctico nomograma para el dimensionamiento de los lechos biológicos, que incluyen varios factores, como la influencia de la concentración en el efluente, de la carga superficial, del espesor del lecho, de la carga volumétrica y de la temperatura sobre la capacidad de clarificación y la concentración del efluente.

Diagrama de la eficiencia de los lechos percoladores En el caso específico de los lechos biológicos de la Planta aplica los siguientes valores de diseño: Espesor del filtro biológico Temperatura

T

h = 1.83 m = 20 ºC

Valor Efluente de DBO5 Carga superficial

= 30 mg/l qA = 0.6 m/h

26

Chilpina, se

VI. MICROBIOLOGÍA DEL PROCESO

Los objetivos del tratamiento biológico son tres: 1. Reducir el contenido en materia orgánica de las aguas 2. Reducir su contenido en nutrientes 3. Eliminar los patógenos y parásitos Existen tres métodos principales para medir la cantidad de materia orgánica en el agua:   

La medida de la demanda biológica de oxígeno La de la cantidad total de carbono La de la demanda química de oxígeno

Todos los métodos se basan en la valoración de la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar diferentes fracciones de la materia orgánica presente en el agua.

 Demanda biológica de oxígeno: (DBO) Es la concentración de oxigeno disuelto consumido por los microorganismos, presentes en el agua. Su valor debe ser inferior a 8 mgl -1. La DBO puede descomponerse en dos factores: a) La demanda de oxígeno para la oxidación microorganismos quimioheterótrofos (DOH)

realizada

por

los

b) El oxígeno consumido en las oxidaciones de los quimioautótrofos nitrificantes (DON). La oxidación bioquímica de la materia orgánica sigue una cinética de primer orden. La tasa de oxidación de la materia orgánica es proporcional a la cantidad de materia orgánica que aun queda por oxidar

dC  kC dt donde : C = Concentración de sustancia (no-conservativa) presente k = Constante de velocidad t = Tiempo 

Demanda química de oxígeno: (DQO) 27

Es la cantidad de oxígeno requerida para oxidar completamente la materia orgánica utilizando oxidantes químicos como el dicromato potásico (K2Cr2O7) con ácido sulfúrico. En las aguas estabilizadas biológicamente se tiene una relación DBO/DQO=0.12.



Carbono orgánico total: (COT) Se mide mediante la oxidación de la materia orgánica mediante calor y oxígeno o mediante oxidantes químicos y se detecta mediante análisis de infrarrojo la producción de CO2. Los valores deben ser comparables con los de la DQO.



Microorganismos presentes dentro del Filtro Percolador La comunidad biológica que se encuentra dentro de un filtro percolador pertenece principalmente al reino protista, donde se encuentran: bacterias aerobias, anaerobias y facultativas, hongos, algas y protozoarios. También se encuentran otro tipo de animales como gusanos, larvas de insectos y lombrices.

28

a)

Bacterias

Los microorganismos que predominan son las bacterias facultativas. En general las bacterias son las encargadas de degradar la materia orgánica del agua residual. Las especies más comunes en los filtros percoladores son: Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas y Alcaligenes. Para la nitrificación las bacterias existentes son: Nitrosomonas y Nitrobacter.

Achromobacter Género de bacterias gramnegativas en forma de bastoncillo y flageladas que no forman pigmento en agar. Las especies son organismos saprofíticos, no patógenos, que se encuentran en el agua, el suelo y el tracto digestivo humano.



Flavobacterium Género bacteriano perteneciente al grupo de las flavobacterias organótrofas. Se trata de bacilos aerobios, inmóviles. Gram negativos. Típicos de agua dulce y salada, alimentos, y plantas procesadoras. Es una especie comensal en ciertos animales acuáticos. Existe asimismo alguna especie patógena oportunista de humanos y peces. Por ejemplo, Flavobacterium psychrophilum causa la enfermedad del agua fría. Algunas especies o géneros relacionados tienen carácter psicrófilo

29

Flavobactorium columnaris



Pseudmonas Es un género de bacilos rectos o ligeramente curvados, Gram negativos, oxidasa positivos, aeróbicos estrictos aunque en algunos casos pueden utilizar el nitrato como aceptor de electrones. El catabolismo de los glúcidos se realiza por la ruta de Etner-Doudoroff y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Algunos miembros del género son psicrófilos, mientras que otros sintetizan sideróforos fluorescentes de color amarillo-verdoso con gran valor taxonómico. Es común la presencia de plásmidos y no forman esporas. Con el reciente analisis de secuencias del RNAr 16S se han definido la taxonomía de muchas especies bacterianas y como resultado, el género Pseudomonas incluyen algunas cepas clasificadas anteriormente dentro de las Chryseomonas y Flavimonas. Otras cepas clasificadas previamente en el género Pseudomonas, ahora son agrupadas en los géneros Burkholderia y Ralstonia.

Pseudomonas



Alcaligenes Las Alcaligenes son un género microbiológico de bacterias Gramnegativas, aeróbicas, incluidas en el orden Burkholderiales. Patógenas, oportunistas. Los xylosoxidans de los Alcaligenes se han encontrado en las zonas respiratorias de los pacientes de la fibrosis 30

enquistada. Porque las especies de este género a menudo se identifican incorrectamente, los problemas ligados a la fibrosis enquistada son difíciles de estudiar y de rectificar. Los aislantes de este género se han encontrado en suelo o riegan. Alcaligenes faecalis es significativo porque convierte la versión más patógena del arsénico, arsenito, a su forma menos peligrosa, arseniato.

Alcaligenes faecalis



Nitrosomonas Bacteria nitrificadora de tipo aeróbico, su función es convertir el amoniaco/amonio en nitritos en forma de ácido nítrico mediante la oxidación del mismo. Su presencia es fundamental en el desarrollo del ciclo del nitrógeno, formando por tanto parte de la depuración biológica del agua. En la naturaleza el amoniaco es transformado por las bacterias nitrosomonas en nitritos, el cual a su vez será convertido en nitratos por las bacterias nitrobacter

Nitrosomonas



Nitrobacter La nitrobacter es una bacteria en forma de bastoncillo, gram negativa y quimiaotótrofa. Juega un papel importante en el ciclo del nitrógeno 31

oxidando los nitritos en nitratos en los suelos. Sin embargo, la nitrobacter no puede tolerar condiciones altamente alcalinas (NH4+).

Nitrobacter

32

b) Hongos Los hongos se encargan de la estabilización de los residuos bajo condiciones bajas de pH, sin embargo su crecimiento debe ser controlado, ya que podrían obstruir el paso del agua, las especies que se encuentran comúnmente en el filtro percolador son: Fusarium, Mucor, Penicillium, Geotrichum.



Fusarium Es un extenso género de hongos filamentosos ampliamente distribuido en el suelo y en asociación con plantas. La mayoría de las especies son saprofitas y son unos miembros relativamente abundantes de la microbiota del suelo. Las esporas del hongo son fácilmente reconocibles al microscopio por su forma de media luna o de canoa.Algunas especies producen micotoxinas en los cereales y que pueden afectar a la salud de personas y animales si estas entran en la cadena alimentaria. La principal toxina producida por estas especies de Fusarium son fumonisinas y trichothecenos. Son patógenos facultativos, capaces de sobrevivir en el agua y suelo alimentándose de materiales en descomposición. Son importantes agentes de contaminación en los laboratorios de microbiología.

Fusarium verticillioides



Mucor El género Mucor se caracteriza por no formar estolones ni rizoides. Por estos motivos, sus especies invaden lentamente los medios de cultivo. Las colonias de este género de hongos son típicamente de blancas a crema o gris y de rápido desarrollo. Las colonias en el medio de la cultivo pueden crecer a varios centímetros de altura. Las colonias más 33

viejas cambian gris a marrón conforme se van desarrolando las esporas. Los esporángios de Mucor pueden ser simples o de ramas echadas y de forma apical, el esporangio globular se apoya y eleva por una estructura en forma de columna llamada columella. Pueden diferenciarse las especies de Mucor del los géneros Absidia, Rhizomucor, y Rhizopus por la forma e inserción de la columella, y la falta de rizoides. Algunas especies de Mucor producen el chlamydosporas.

Mucor sp.



Penicillium Las especies de Penicillium son reconocidas por su denso cepillar como las estructuras del espora-cojinete. Los conidióforos son simples o ramificados y son terminados por los racimos de fiales en forma de botella. Las esporas (conidios) se producen en cadenas secas de las extremidades de los fialides, con la espora más joven en la base de la cadena, y son casi siempre verdes. La ramificación es una característica importante para identificar especie del penicillium. Algunos son no ramificados y llevan simplemente un racimo de fialides en la tapa del estípite. Otros pueden tener un racimo de ramas, cada cojinete un racimo de fialides. Un tercer tipo tiene ramas el llevar de una segunda pedido de ramas, llevando alternadamente un racimo de fialides. Estos tres tipos de sistemas del cojinete de la espora (penicilli) se llaman monoverticillate, biverticillate y terverticillate respectivamente. El Penicillium es género grande y difícil encontrado casi por todas partes, y generalmente el género más abundante de hongos en suelos. La ocurrencia común de la especie del Penicillium en alimento es un problema particular. Unas ciertas especies producen las toxinas y pueden hacer el alimento no comestible o aún peligroso. Es una buena práctica desechar los alimentos que demuestran el desarrollo de cualquier moho. Por otra parte unas ciertas especies de Penicillium son beneficiosas a los seres humanos. Los quesos tales como Roquefort,

34

Brie, camembert, Stilton, etc. se maduran con la especie de Penicillium y son absolutamente seguros de comer. La penicilina de la droga es producida por el hongo Penicillium chrysogenum, un moho ambiental.

Penicillium sp.



Geotrichum El Geotrichum es un hongo hallado cosmopolitamente en suelo, agua, aire, detritos, plantas, cereales, productos lácteos; común en la flora normal humana y se aisla de esputo y heces. Así como coloniza el tracto intestinal, Geotrichum puede causar infecciones oportunistas en huéspedes inmunocomprometidos; esas infecciones se refieren como geotricosis. Las infecciones usualmente se adquieren vía ingestión o inhalación. En condiciones climáticas tropicales (30 ºC y 90% de humedad relativa), destruye los CD y DVD. Se reproduce sobre el soporte y destruye la información almacenada, primero degradando el borde externo del soporte. Esto ocurre porque el hongo se alimenta del carbono y el nitrógeno de la capa plástica de policarbonato, destruyendo así las pistas de información. Este hongo crece y se reproduce con facilidad dentro de la estructura de un CD o DVD en las condiciones expuestas.

35

Geotrichum candidum c) Algas Las algas se encuentran en la parte donde da la luz del sol directa, y brindan más oxígeno al sistema durante las horas en que hay sol, las especies que se llegan a encontrar son: Phormidium, Chlorella y Ulothrix.



Phormidium Alga que forma colonias extensas de color de azul verdoso oscuro a verde oliva que algunas veces toma tonos amarillentos o violáceos. Los filamentos están formados por una vaina, dura o mucilaginosa, y un tricoma, formado por células alineadas de forma recta o alga curva, especialmente en la zona apical, donde el ápice es de atenuado a ligeramente extendido, en este último caso de forma más o menos abrupta. Las células, de 4 - 7 x 2 - 5 micras, son la de mitad de largas que anchas a algo más anchas que largas; la célula final del tricoma es capitada y tiene una caliptra algo cónica.

Phormidium sp.

Phormidium



Chlorella Chlorella es un género de algas verdes de unicelulares, del Filo Chlorophyta. De forma esférica, cerca de 2-10 μm de diámetro, sin 36

flagelo. Chlorella contiene los pigmentos verdes fotosintetizadores clorofila-a y -b en su cloroplasto. A través de la fotosíntesis se multiplica rápidamente requiriendo solo dióxido de carbono, agua, luz solar, y pequeñas cantidades de minerales, para reproducirse. El nombre Chlorella proviene del griego chloros: verde; y del sufijo diminutivo latino ella: "pequeño". El bioquímico alemán Otto Heinrich Warburg recibe el Premio Nobel en Fisiología, de Medicina en 1931 por su estudio de la fotosíntesis en Chlorella. En 1961 Melvin Calvin de la Universidad de California recibe el Premio Nobel de Química por su estudio sobre los caminos de la asimilación del CO2 en plantas usando a Chlorella. En años recientes, investigadores han hecho uso menor de Chlorella como organismo experimental debido a sus faltas del ciclo de vida biológico y, además, el avance en los estudios de la genética. Mucha gente cree que Chlorella puede servir como una fuente potencial de alimento y de energía debido a su eficiencia fotosintética, que puede alcanzar teóricamente el 8 %,[1] que es comparable con otros cultivos altamente eficientes como caña de azúcar. También lo hace una atractiva fuente alimentaria por su alta proporción de proteína y otros nutrientes esenciales al humano; seco, tiene cerca de 45% proteína, 20% grasa, 20% carbohidrato, 5% fibra, 10% minerales y vitaminas. Sin embargo, debido a ser un alga unicelular, su cosecha presenta enormes dificultades prácticas para hacerlo en gran escala. Los métodos de producción de biomasa se están comenzando a usar para su cultivo en grandes depósitos artificiales.

Chlorella sp.



Ulothrix Se caracteriza por filamentos verdes, delgados, muy finos, retorcidos y entrelazados. Están formados por una sola fila de células más largas que anchas. El cloroplasto lateral de cada célula presenta de uno a dos 37

pirenoides. Los esporangios se forman en células engrosadas. Se encuentra frecuentemente entremezclada con otras algas filamentosas del intermareal. Se reproducen por fusión, las células vegetativas de la cadena filamentosa sufre varias divisiones para producir un determinado número de pequeñas gametas, cada una de las cuales emite dos flagelos. Al igual que en Chlamydomonas, dos de estas formas móviles se fusionan, originando una cigota que inicialmente tiene cuatro flagelos. Después de nadar durante un tiempo, la cigota pierde sus flagelos, segrega una gruesa pared celular y es capaz de soportar el frío o la sequedad. Más tarde, sufre tina división meiótica, y da lugar a cuatro células. Éstas se liberan, finalmente, de la pared vieja de la cigota, y producen nuevos filamentos. Por lo tanto, la reproducción sexual en Ulothrix es isogámica, y se realiza por fusión de dos células idénticas, pero esas células son especializadas y se diferencian de las células vegetativas comunes.

Ulothrix

d) Protozoarios Los protozoarios controlan el crecimiento bacterial, predomina el grupo de los ciliados incluyendo: Vorticella, Opercularia, Epistylis.



Vorticella Vorticella es un género de protozoo, con más de 100 especies conocidas. Es un microorganismo unicelular ciliado de agua dulce eutrofizada, solitario o en grupos. Su cuerpo es de forma campanular o vesicular, y se une al sustrato con su pedúnculo contráctil. Tiene el aparato oral con una corona de cilios, de varios estratos, y forma una corriente de la cual va extrayendo bacterias que come. Ocasionalmente, pueden contraer violentamente su cuerpo ante estímulos externos. Tiene reproducción asexual o por conjugación sexual. Clonalmente, una o dos células hijas entran en una fase morfológica intermedia, como cápsula cilíndrica, las telotrocas. Así, la célula forma su corona ciliar 38

ventralmente, y el aparato oral se retrae. Luego, se fija a un punto del sustrato. Y la telotroca pasa gradualmente a la forma común de vorticella. Se abren las ciliar orales, las posteriores desaparecen, y crece el pedúnculo.

Vorticella



Opercularia Protozoo ciliado peritrico, colonial, fijo a sustratos mediante pedúnculo no contráctil. Esta especie se desarrolla en medios con elevada carga de materia orgánica y baja concentración de oxígeno disuelto, así como en presencia de vertidos industriales. Son ciliados FIJOS, es decir están fijados por un pedúnculo. En su parte superior tienen unos haces de fibrillas contráctiles que agitan generando una corriente hacia dentro de su "boca" por donde se alimenta, al igual que los ciliados móviles. Son organismos muy necesarios y tienen la misma edad de lodos, aparecen un poco después de los móviles, por lo general la Opercularia se presenta en conjunto.

Opercularia sp.



Epistylis Este género juega un importante papel en Limnología aplicada, forma una parte importante de las comunidades de biofiltradores, actuando en los fangos activados y estanques estabilizadores donde se produce la purificación de los restos de materia orgánica del agua. Suele 39

encontrarse con el Sphaeotilus natans, durante el invierno debajo del hielo en el periphyton de aguas estancadas y con poca corriente Se encuentra en estanques con mucha materia orgánica. Tiene un tamaño de unas 30 micras. Grandes colonias flotantes de Epistylis, asociadas a Vorticella, se encuentran a veces en aguas eutróficas.

Epistylis sp.

e) Microorganismos Pluricelulares Los gusanos, insectos y lombrices ayudan a mantener la población bacterial en alto crecimiento y rápida utilización de alimento.

Anélido Oligoqueto

VII.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO 1. Tratamiento de Aguas Residuales

En el tratamiento de aguas residuales se pueden distinguir hasta cuatro etapas que comprenden procesos químicos, físicos y biológicos:

40

ETAPA PREELIMINAR Tratamiento preliminar, destinado a la eliminación de residuos fácilmente separables. Para caracterizar estos residuos, se utiliza una serie de parámetros analíticos que determinan su calidad física, química y biológica. Estos parámetros son : -

La turbidez Los sólidos suspendidos El total de sólidos disueltos La acidez y El oxígeno disuelto. PRIMERA ETAPA: Tratamiento primario que comprende procesos de sedimentación El tratamiento primario de las aguas negras es un proceso mecánico que utiliza criba de barras para separar los desechos de mayor tamaño como palos, piedras y trapos. Algunas plantas de tratamiento de aguas negras tienen trituradores para los objetos grandes con el objeto de que no obstruyan esta etapa del tratamiento. Luego pasan las aguas a un tanque de sedimentación donde fluye lentamente para que sedimenten las piedras, arena y otros objetos pesados. De éste tanque las aguas negras pasan a otro grande llamado de asentamiento, en donde se sedimentan los sólidos en suspensión (quedan como lodos en el fondo del tanque) y, los aceites y las grasas flotan en forma de nata o espuma. Se pueden definir 3 etapas: 1- Desbaste o retención: El agua atraviesa unas rejas de diferentes tamaños de malla para retener los materiales más voluminosos. 2- Desarenado: sistema de circulación del agua por cámaras a una velocidad controlada para provocar la sedimentación de arenas y gravas en el fondo del depósito denominado desarenador. Posteriormente se eliminarán. 3- Desengrasado: consiste en la eliminación de grasas, aceites y otros materiales flotantes como pelos o fibras. Se lleva a cabo por los mismos procesos que el desarenado. Después de este proceso, en algunos casos, el agua que queda entre el lodo y la nata se escurre o libera al ambiente o se le da un tratamiento con cloro (proceso de cloración) para matarle las bacterias antes de ser arrojadas al ambiente o se hace pasar al tratnto secundario. El tratamiento primario de las aguas negras elimina alrededor del 60 % de los sólidos en suspensión y el 35 % de los materiales orgánicos (35 % de la demanda bioquímica de oxígeno). 41

Solamente en los países desarrollados se trata cerca del 30 % de las aguas negras domésticas mediante el tratamiento primario y cerca del 60 % se somete al tratamiento secundario ya que éste cuesta aproximadamente el doble de lo que cuesta el tratamiento primario. SEGUNDA ETAPA: Tratamiento secundario que comprende biológicos (lodos activados) y químicos (desinfección)

procesos

Entre las operaciones que se utilizan en el tratamiento secundario de las aguas contaminadas están: el proceso de lodos activados, la aireación u oxidación total, filtración por goteo y el tratamiento anaeróbico. El tratamiento secundario de aguas negras es un proceso biológico que utiliza bacterias aerobias como un primer paso para remover hasta cerca del 90 % de los desechos biodegradables que requieren oxígeno. Después de la sedimentación, el agua pasa a un tanque de aireación en donde se lleva a cabo el proceso de degradación de la materia orgánica y posteriormente pasa a un segundo tanque de sedimentación, de ahí al tanque de desinfección por cloro y después se descarga para su reutilización. El tratamiento secundario más común para el tratamiento de aguas negras es el de los lodos activados. Las aguas negras que provienen del tratamiento primario pasan a un tanque de aireación en donde se hace burbujear aire o en algunos casos oxígeno, desde el fondo del tanque para favorecer el rápido crecimiento de las bacterias y otros microorganismos. Las bacteria utilizan el oxígeno para descomponer los desechos orgánicos de las aguas negras. Los sólidos en suspensión y las bacterias forman una especie de lodo conocido como lodo activado, el cual se deja sedimentar y luego es llevado a un tanque digestor aeróbico para que sea degradado. Finalmente el lodo activado es utilizado como fertilizante en los campos de cultivo, incinerado, llevado a un relleno sanitario o arrojado al mar. Otras plantas de tratamiento de aguas negras utilizan un dispositivo llamado filtro percolador en lugar del proceso de lodos activados. En este método, las aguas negras a las que les han sido eliminados los sólidos grandes, son rociadas sobre un lecho de piedras de aproximadamente 1.80 metros de profundidad. A medida que el agua se filtra entre las piedras entra en contacto con las bacterias que descomponen a los contaminantes orgánicos. A su vez, las bacterias son consumidas por otros organismos presentes en el filtro. Del tanque de aireación o del filtro percolador se hace pasar el agua a otro tanque para que sedimenten los lodos activados. El lodo sedimentado en este tanque se pasa de nuevo al tanque de aireación mezclándolo con las aguas negras que se están recibiendo o se separa, se trata y luego se tira o se entierra. Una planta de tratamiento de aguas negras produce grandes cantidades de lodos que se necesitan eliminar como desechos sólidos. El proceso de eliminación de sólidos de las aguas negras no consiste en quitarlos y tirarlos, sino que se requiere tratarlos antes de tirarlos y su eliminación es muy complicada y costosa. 42

Algunas plantas de tratamiento de aguas negras utilizan filtros trompa, en donde las bacterias aerobias llevan a cabo el proceso de degradación de la materia orgánica cuando las aguas escurren a través de un lecho grande lleno de piedra triturada cubierta de bacterias aerobias y de protozoarios.

Como los tratamientos primario y secundario de aguas negras no eliminan a los nitratos ni a los fosfatos, éstos contribuyen a acelerar el proceso de eutroficación de los lagos que es un proceso de envejecimiento natural del agua (degradacion de algas), de las corrientes fluviales de movimiento lento y de las aguas costeras. Como los tratamientos primario y secundario de las aguas negras no eliminan productos químicos persistentes como los plaguicidas Entre el tratamiento primario y secundario de las aguas negras eliminan cerca del 90 % de los sólidos en suspensión y cerca del 90 % de la materia orgánica (90 % de la demanda bioquímica de oxígeno). Una parte de los sólidos eliminados en este tratamiento se utiliza para la elaboración de fertilizantes pero la mayor parte de ellos se usa de relleno de terrenos o se tira al mar.

43

TERCERA ETAPA: Tratamiento terciario o avanzado que está dirigido a la reducción final de la DBO, la disminución de nutrientes y la eliminación de patógenos y parásitos. Entre las operaciones que se utilizan en el tratamiento terciario de aguas contaminadas están: la microfiltración, la coagulación y precipitación, la adsorción por carbón activado, el intercambio iónico, la ósmosis inversa, la electrodiálisis, la remoción de nutrientes, la cloración y la ozonización. A cualquier tratamiento de las aguas negras que se realiza después de la etapa secundaria se le llama tratamiento terciario y en este, se busca eliminar los contaminantes orgánicos, los nutrientes como los iones fosfato y nitrato o cualquier exceso de sales minerales. En el tratamiento terciario de aguas negras de desecho se pretende que sea lo más pura posible antes de ser arrojadas al medio ambiente. Dentro del tratamiento de las aguas de desecho para la eliminarles los nutrientes están la precipitación, la sedimentación y la filtración. Actualmente se aplican muy pocos tratamientos terciarios a las aguas negras domésticas. CLORACION: El método de cloración es el más utilizado, pero como el cloro reacciona con la materia orgánica en las aguas de desecho y en el agua superficial produce pequeñas cantidades de hidrocarburos cancerígenos. Otros desinfectantes como el ozono, el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) y luz ultravioleta empiezan a ser empleados en algunos lugares, pero son más costosos que el de cloración. El proceso más utilizado para la desinfección del agua es la cloración porque se puede aplicar a grandes cantidades de agua y es relativamente barato. El cloro proporciona al agua sabor desagradable en concentraciones mayores de 0.2 ppm aunque elimina otros sabores y olores desagradables que le proporcionan diferentes materiales que se encuentran en el agua. Aunque el cloro elemental o en forma atómica se puede usar para la desinfección del agua, son más utilizados algunos de los compuestos de cloro como el ácido hipocloroso, el hipoclorito de sodio, el hipoclorito de calcio y el peróxido de cloro. Algunas de las reacciones químicas que ocurren entre compuestos de cloro y el agua se representan en las ecuaciones químicas siguientes: Hidrólisis del cloro: Cl2 + 2 H2O -----> HCl + H3O1+ + Cl1Disociación del ácido hipocloroso: HClO + H2O ----> H3O1+ + ClO1Acidificación del hipoclorito de sodio: NaClO + H1+ ----> Na1+ + HClO

44

El cloro puede formar con el amoníaco las cloraminas que también tienen acción desinfectante. El peróxido de cloro también es capaz de oxidar a los fenoles. El cloro tiene una acción tóxica sobre los microorganismos y actúa como oxidante sobre la materia orgánica no degradada y sobre algunos minerales. El cloro no esteriliza porque aunque destruye microorganismos patógenos no lo hace con los saprofitos. 2. Filtros Percoladores Los filtros percoladores son biorreactores que por medio de una capa de microorganismos adherida a un medio permeable permite la depuración de agua residual de manera aerobia. El medio permeable recibe el nombre de empaque y los microorganismos forman una capa en el empaque a la que se le denomina biopelícula o lama. El empaque puede ser de roca o plástico. El diámetro de las rocas varía de 25 a 100 mm y la profundidad del filtro puede ser entre 0.9 y 2.5 m, cuando el empaque es plástico se tienen profundidades de 9 a 12 m. Los filtros percoladores son generalmente circulares y cuentan con un distribuidor en la parte superior que mantiene toda la superficie mojada. La materia orgánica del agua residual a depurar es el alimento de los microorganismos que se forman.

Vista seccionada de un filtro percolador con medio filtrante de plástico

La materia orgánica que se encuentra en el agua residual es degradada por la población microbial que se encuentra adherida al empaque. Cuando el agua residual pasa a través del filtro, el oxígeno y nutrientes se difunden en la biopelícula, éstos son consumidos por la comunidad microbial, formándose algunos productos de desecho y CO2 que se difunden de la biopelícula al agua.

45

Funcionamiento de un filtro percolador Con este proceso los microorganismos crecen y aumenta el grosor de la biopelícula. La capa microbial tiene dos partes, una aerobia y la otra anaerobia, la parte aerobia es aquella que está en contacto con el agua residual, y es en ella donde se difunde la materia orgánica y el oxígeno, es decir, donde se lleva a cabo el proceso de depuración. La parte de biopelícula que está en contacto con la pared del empaque es la parte anaerobia. Los microorganismos de esta parte entran a una fase endógena de crecimiento debido a que no cuentan con una fuente orgánica externa y pierden la habilidad de sostenerse en el empaque. Este fenómeno es llamado desgajamiento y es función de la carga orgánica e hidráulica. La carga hidráulica influye en la velocidad de corte y la orgánica en la tasa de microorganismos en la biopelícula

Esquema de la biopelícula en la superficie del filtro percolador

Además de la remoción de materia orgánica, los filtros percoladores pueden ser nitrificadores, ya que bajo las condiciones apropiadas pueden crecer también bacterias nitrificadoras en la biopelícula. Éstas oxidan el nitrógeno del amoniaco y lo convierten en nitratos. La nitrificación y la remoción de DQO se pueden dar simultáneamente debido a que las bacterias nitrificadoras y heterotróficas (encargadas de la remoción de la materia orgánica) tienen el mismo tiempo de residencia de lodos (TRL o 46

SRT en por las siglas en inglés), sin embargo existen condiciones que pueden favorecer ya sea la nitrificación o la remoción de DQO. El balance de las bacterias existentes dependen de la cantidad de alimento que tengan, y es más fácil que a una carga alta de materia orgánica, las bacterias heterotróficas crezcan en mayor cantidad y las nitrificadoras tengan ya poco lugar. La nitrificación se favorece con cargas hidráulicas bajas (tasa estándar), altas temperaturas, largos periodos de retención (flujo en serie o medio sintético) y una concentración de DBO menor a 20 L/d. 3. Proceso de análisis Las principales variables que marcan el comportamiento de un filtro percolador son la carga orgánica, la hidráulica, la recirculación de agua tratada y la concentración del agua alimentada. Aún existe confusión entre el efecto de las cargas orgánica e hidráulica por separado, ya que hasta la fecha no se ha definido claramente su influencia en la operación del filtro. Cook y Kincannon (1971) indicaron que la carga orgánica es el principal factor que afecta el desempeño del filtro; Askew (1981) y Johnson (1987) mostraron que la carga hidráulica afecta la remoción de contaminantes si es tan baja que no moja todo el empaque, es decir, si no se alcanza “la tasa mínima de remojo”. Se ha observado que la recirculación del agua tratada en el filtro percolador aumenta la eficiencia del tratamiento, ya que también se regresan organismos viables, previene el estancamiento y reduce la molestia de malos olores y mosquitos. La concentración del agua alimentada tiene que ver directamente con la cantidad de materia orgánica que se removerá, así como con la cantidad de microorganismos en el sistema. a) Carga orgánica La carga orgánica es el flujo másico de materia orgánica por unidad de volumen del filtro. Entre mayor sea la carga orgánica, mayor será la relación alimento: microorganismos, y más rápido crecerán las bacterias del sistema, y como consecuencia con altas cargas orgánicas, se tendrá una menor concentración de sustrato en el efluente, si la aireación, composición de sustrato u otro factor, no se convierten en limitantes. La carga orgánica se expresa como la tasa a la que se suministra al sistema la demanda de oxígeno (kg DQO/ m3 d o kg DBO5/m3 d).

b) Carga hidráulica

47

La carga hidráulica es equivalente a la velocidad superficial que tiene el agua residual con la recirculación al pasar por el área plana del corte transversal del filtro. Sin embargo, ya que el flujo por el empaque es en láminas delgadas, la velocidad real es mayor; el incremento de la carga hidráulica es proporcional a la velocidad real. La carga hidráulica afecta el tiempo de residencia del líquido que se filtra a través del empaque y simultáneamente la cantidad del líquido retenido en cualquier momento por el empaque. Es decir, el tiempo de retención disminuye con el aumento de la carga hidráulica. Existen límites para la carga hidráulica, la mínima es de aproximadamente 1.8 m3/m2 hr (0.74 gal/(min ft2)), y si no es suficiente, será necesaria una recirculación. Como límite superior se debe prever que no haya desprendimiento excesivo de biomasa. Con esto se puede entender que es muy importante el control de la carga hidráulica en el filtro para su buen funncionamiento.

4. Comportamiento cinético Describir el comportamiento de un filtro percolador con un modelo cinético general es difícil debido a las características inestables de la capa microbial y a las características hidráulicas impredecibles. Akiston y colaboradores (1974) propusieron el siguiente modelo (con fundamento en la ecuación de Monod) que describe la tasa de flujo de materia orgánica en la capa microbial, suponiendo que la difusión dentro de la capa controla el índice de reacción y que no hay un gradiente de concentración a lo largo de la capa líquida.

rs  

Ehk0 S Km  S

donde:

rs = tasa de flujo de materia orgánica dentro la capa microbial E = factor de efectividad (0 ≤ E ≤ 1) -1

k0 = índice máximo de reacción, d

Ŝ = concentración promedio de DQO en el líquido dentro del elemento de volumen 48

Km = constante de velocidad media En los años 40 se hizo la suposición de que la degradación de DQO se puede describir con una ecuación de primer orden considerando un régimen tapón de flujo hidráulico, que sea función de la carga orgánica o hidráulica, dependiendo de los diferentes autores. El primero en proponer una ecuación que define el comportamiento de un filtro percolador considerando la remoción de DQO fue Velz   KA D Se e v S0

Qn



Donde: Se

=

Concentración de DBO a la profundidad D, mg/L.

So

= Concentración de DBO del agua de alimentación, mg/L.

K

=

Av

= Área específica, m /m .

2

Constante cinética de remoción, m s/kg de DQO 2

3

D = Profundidad del filtro, m. 3

2

Q = Carga Hidráulica, m /m d. n

= Exponente

La ecuación modificada de Velz muestra que la remoción de DQO es función del tiempo de retención. Eckenfelder (1980) le añade a esta ecuación el efecto de la concentración del agua de alimentación (S o):   KA D Se e v S0

Q n S0



Eckenfelder (1980) también demuestra que la remoción de DQO en un filtro percolador se puede describir con la siguiente ecuación basada en la carga orgánica (L, kg de DQO/m3d):

Se  KA e  v S0

49

L

Se observa que D/QnSo es igual que el inverso de la carga orgánica (1/L), exceptuando n, el cual es un constante experimental, la cual recibe generalmente el valor de 0.5.

50

5. Crecimiento bacterial y oxidación biológica a) Crecimiento en términos de número de bacterias El patrón general de crecimiento bacterial en un cultivo por lotes se muestra en la Fig. . El patrón de crecimiento en el tiempo basado en el número de células tiene aproximadamente cuatro fases:

Curva de crecimiento bacterial típica

1. Fase de retraso. Es la adición de un inóculo a un medio de cultivo, esta etapa representa el tiempo de aclimatación de los organismos a su nuevo ambiente. 2. Fase de crecimiento logarítmico. Durante esta etapa las células se dividen a una tasa determinada por su tiempo de generación y su capacidad de procesar el alimento. 3. Fase estacionaria. La población permanece estacionaria debido a que las células se han acabado el sustrato o nutrientes necesarios para crecer y que el crecimiento de nuevas células se detiene por la muerte de las viejas células. 4. Fase de muerte logarítmica. En esta fase la tasa de muerte excede la de producción de nuevas células. Y es función de la población viable y de las características del ambiente b) Oxidación bacterial Son tres los procesos que se llevan a cabo estequiométricamente y simultáneamente son: Oxidación (Proceso desasimilatorio)

COHNS O2 bacteria CO2 NH 3 otros energía 51

Síntesis (Proceso asimilatorio)

COHNS O2 bacteria energía C 5 H 7 NO2

Respiración endógena (auto-oxidación)

C 5 H 7 NO2 5O2 5CO2 NH 3 2H 2 O energía COHNS representa la materia orgánica del agua residual y C 5H7NO2 el tejido celular, éste es un valor generalizado obtenido experimentalmente. Aunque los productos que se muestran de respiración endógena sean simples productos finales y energía, se sabe que también se forman productos orgánicos estables.

c) Cinética del crecimiento biológico 

Crecimiento logarítmico: cultivo por lotes Las bacterias incrementan su cantidad en proporción a su masa y al logaritmo de su fase de crecimiento. La tasa de crecimiento para esta fase está definida por:

rg   X

donde: rg = tasa de crecimiento bacterial -1 µ = tasa de crecimiento específico, tiempo X = concentración de microorganismos, masa/unidad de volumen 

Crecimiento limitado Los nutrientes o sustrato son un requerimiento esencial para el crecimiento bacterial. Monod encontró experimentalmente que el efecto de sustrato o de nutrientes limitado se puede definir con la siguiente ecuación:



m S Ks  S

donde: -1

µ = tasa de crecimiento específico, tiempo -1 µm = tasa de crecimiento específico máximo, tiempo S = concentración del sustrato limitante de crecimiento en solución, masa 52

/unidad de volumen Ks = constante de velocidad media, concentración en la mitad de la tasa de crecimiento máximo, masa/unidad de volumen El efecto de la concentración del sustrato en el crecimiento específico se muestra en la siguiente figura:

Efecto de nutrientes limitantes en la tasa de crecimiento específico

Si se combinan las dos últimas ecuaciones, se obtiene la siguiente ecuación:

rg 

 m XS Ks  S

6. Módulo de Thiele En un bioreactor además del comportamiento cinético superficial existe un proceso de difusión que puede ser comparado con la difusión en poros. El modelo que describe este comportamiento de forma conjunta es el módulo de Thiele. Las ecuaciones del módulo de Thiele adaptadas a un bioreactor quedan de la siguiente forma:

53

k0 bd  2   2 De cs 2



tanh   



siendo: Φ = Módulo de Thiele k0 = Constante cinética ρbd = Densidad de la biomasa De = Coeficiente de difusión efectiva cs = Concentración de sustrato en la superficie δ = Longitud característica η = Factor de eficiencia



Empaque

Capa anaerobia C s

Descripción Módulo de Thiele

Se observa que la longitud característica (δ) del reactor es directamente proporcional al Módulo de Thiele, y éste a su vez es inversamente proporcional al factor de eficiencia. Dicho factor varía entra 0 y 1 e indica la resistencia de difusión en el poro, cuando no existe resistencia a la difusión η adquiere el valor de 1. Entre mayor sea el valor de Φ, la resistencia a la difusión será mayor, por lo que la eficiencia será menor

7. Empaque

54

El corazón del filtro percolador es el empaque o medio utilizado para proveer la superficie donde se formará la biopelícula. Su diseño debe permitir una distribución uniforme de nutrientes y oxígeno mientras se remueve la materia orgánica disuelta y suspendida.

a) Características del empaque Las características con las que debe reunir el empaque del filtro para cumplir con su funcionamiento ideal se enlistan a continuación: 1. Área específica alta. El área específica es la medida de cuánta área activa biológicamente está contenida en un determinado volumen. También se le conoce 2 3 2 3 como “densidad de empaque” y sus unidades de medición son ft /ft o m /m . El área total disponible para el crecimiento de las bacterias es un buen indicador de la capacidad del filtro. En cuanto a costos también influye, ya que si un empaque A tiene dos veces el área por unidad de volumen que el empaque B, entonces el empaque B necesitaría un recipiente de doble largo para llevar a cabo la remoción que realiza el empaque A. 2. Fracción vacía alta. La fracción vacía es el porcentaje de volumen o espacio abierto en el empaque, es decir la fracción de volumen que el empaque por si mismo no ocupa. Ésta varía entre 15 y 98%. Una alta fracción vacía permite un flujo libre del agua y aire. 3. Diámetro de paso libre largo. Es diámetro máximo que puede pasar por el empaque. 4. Resistencia a obstrucción taponamiento. Algunas causas de la obstrucción o taponamiento son el taponamiento mecánico de partículas, el crecimiento de excesivo de biomasa, una densidad de empaque no uniforme, fracción vacía baja y/o diámetro de paso libre pequeño. 5. Construcción con material inerte. Materiales biodegradables como madera o papel no on convenientes para los filtros biológicos, tampoco algunos metales como acero, aluminio o cobre que se corroen inhibiendo el crecimiento biológico. 6. Fácil mantenimiento. Un buen empaque debe tener pequeños o ningún requerimiento de mantenimiento. Si se requiere mantenimiento debido a taponamiento o se requiere esterilizar, el empaque debe ser removible fácilmente y sin algún equipo especializado. 7. Bajo consumo energético. Aunque los iltros percoladores no requieren energía directamente, su diseño determina la carga energética de la bomba para desplazar el agua por todo el filtro. b) Tipo de empaque  Roca o grava. Desde el siglo XIX se han usado rocas y grava de diferentes medidas en los filtros percoladores. Se dispone de estos materiales fácilmente, son baratos y tienen un área específica grande, además son típicamente 55

inertes. Su principal desventaja es su baja fracción vacía, lo cual hace que tienda a obstaculizarse el paso del fluido

. Empaque de roca



Empaque aleatorio o amontonado. Este tipo de empaque ha sido adaptado de la industria química. Existe una amplia variedad en cuanto al área específica. Estos empaques están “amontonados aleatoriamente” dentro de los recipientes y pueden acomodarse en recipientes de diferentes formas. Deben instalarse sobre una malla como soporte. Tienen una buena fracción vacía y una alta resistencia al taponamiento. Aunque son ligeros, son difícil de remover una vez que se han instalado y con el tiempo tienden a compactarse. De igual manera que con las rocas y grava, no permite ver al operador lo que sucede en el interior del empaque. Existen empaques aleatorios de acero inoxidable, cerámica, porcelana y diferentes termoplásticos, los más comunes son de polipropileno y polietileno de ala densidad.

Empaques aleatorios



Empaque estructurado. El empaque estructurado reúne la mayoría de las características de un empaque ideal y se ha usado por más de 25 años. Pueden ser de flujo vertical o cruzado. En su mayoría es construido con hojas de PVC soldadas o pegadas en bloques rectangulares. Existe un amplio rango de área específica, ya que esto se puede controlar con el espacio entre las hojas. Cuenta con unaalta resistencia mecánica combinada con un peso ligero,y se puede utilizar sin un recipiente que lo contenga.

56

Empaque estructurado

57

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

58

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

59

VIII. BIOQUÍMICA DEL PROCESO ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE MATERIA ORGÁNICA Caracterización de materia orgánica (sustrato) Caracterización de biomasa (X

BH

)

DQO No biodegradable: soluble (S ) y particulada (X ) I I DQO Biodegradable: Soluble y particulada (S ). b Sólidos suspendidos volátiles: SSV contienen: - biomasa activa - residuo celular tras la respiración endógena - SSV no biodegradable en la alimentación

Se producen las siguientes reacciones:

1. Utilización de sustrato y crecimiento de biomasa

60

Sb aO 2

X BH

 bCO2 c H 2 O YH X BH

Sb aO 2

X BH

 bCO2 c H 2 O YH X BH

Sb aO 2

X BH

 bCO2 c H 2 O YH X BH

2. Desaparición de biomasa. Respiración endógena

X

BH

+ d O  eCO + f H O + f X 2 2 2 p e

Oxidación (Proceso desasimilatorio)

COHNS O2 bacteria CO2 NH 3 otros energía Síntesis (Proceso asimilatorio)

COHNS O2 bacteria energía C 5 H 7 NO2 Respiración endógena (auto-oxidación)

C 5 H 7 NO2 5O2 5CO2 NH 3 2H 2 O energía COHNS representa la materia orgánica del agua residual y C 5H7NO2 el tejido celular, éste es un valor generalizado obtenido experimentalmente. Aunque los productos que se muestran de respiración endógena sean simples productos finales y energía, se sabe que también se forman productos orgánicos estables. Las bacterias heterótrofas utilizan la materia orgánica presente en el agua residual como fuente de carbono para la síntesis celular. Las reacciones de oxidación y de síntesis celular se pueden expresar de forma genérica así: MO + O2 + Nutrientes

CO2 + NH3 + C5H7NO2 + otros productos bacterias aerobias

Donde MO indica la materia orgánica y C 5H7NO2 representa la nueva 61

materia celular formada. Como se observa, este proceso implica la producción de nitrógeno amoniacal, lo que contribuye a aumentar la concentración de esta sustancia en el agua residual. Por otro lado, las bacterias aerobias utilizan el oxígeno disuelto para la oxidación bioquímica de su contenido de materia orgánica a dióxido de carbono, generando energía. La reacción correspondiente es la siguiente: C5H7N02 + 5O2

5C02 + 2H20 + NH3 + energía

donde se observa una producción de nitrógeno amoniacal y un consumo de oxigeno disuelto en el líquido de mezcla. Al ser un proceso aerobio, la ruta metabólica que se realiza dentro de los microorganismos es el ciclo de Krebs, con el cual metabolizan el sustrato, que en este caso es la materia orgánica presente en el agua residual. Los microorganismos presentes en la película biológica del filtro percolador son aerobios facultativos, como ya se indicó anteriormente en la sección de microbiología del proceso, por lo que los que se encuentren en la superficie de la película realizarán el proceso de asimilación del sustrato mediante el ciclo de Krebs, lo que no sucedería con las bacterias que se encuentran en la superficie interna de la película, ya que la difusión de oxígeno a través de la película disminuye con el grosor de la película, por lo que empiezan a realizar rutas anaerobias, pero por un corto tiempo, ya que la película es removida por el caudal de las aguas residuales y empieza de nuevo el crecimiento de la película.

62

Ciclo de Krebs

63

Eliminación Biológica de Nitrógeno

Proceso de eliminación del nitrógeno La presencia de nitrógeno en las descargas de aguas residuales puede ser indeseable por varias razones: 

El amoniaco libre es tóxico para los peces y muchos otros organismos acuáticos



El nitrógeno amoniacal ejerce una demanda de oxígeno muy elevada (4,57 mg O2 /mg NH4+-N oxidado) pudiendo agotar el oxígeno disuelto de la masa de agua (9 mg O 2/L a 20°C). La toxicidad del amoniaco en solución es directamente atribuible a la especie NH3, cuya concentración aumenta con el pH y la temperatura del agua.

El nitrógeno se encuentra en diferentes maneras: Amoniaco, amonio, nitrógeno gas, nitrito, nitrato. La transformación de estos compuestos puede ocurrir por diferentes mecanismos: Fijación, amonificación, síntesis, nitrificación y desnitrificación.



Fijación de nitrógeno:

El nitrógeno de los seres vivos es procesado por bacterias llamadas Rhizobium, que toman el nitrógeno atmosférico (N2) y lo modifican en manera tal que pueden ser utilizados por los organismos vivos como nitratos o amoníaco NH3.

64

Vía metabólica que fija el nitrógeno atmosférico N2 , y lo convierte en amoníaco NH3. Nitrógeno orgánico + microorganismos



NH3 – NH4

Amonificación: Es el proceso de cambio del nitrógeno orgánico a formas amoniacales y ocurre normalmente durante la descomposición de tejidos animales y vegetales y de la materia fecal animal.

La síntesis es un proceso bioquímico que usa el amonio o el nitrato para formar proteínas vegetales y otros compuestos que contienen nitrógeno: NO3- + CO2 + Plantas + Luz solar NH3/NH 4+ + C0 2 + Plantas + Luz solar 

proteínas proteínas

Nitrificación: Es la oxidación biológica del nitrógeno amoniacal. Este proceso se realiza en dos etapas, en la primera el ion amonio se oxida a nitritos y luego éstos son oxidados a nitratos. Las reacciones de transformación las realizan principalmente dos géneros de bacterias 65

autótrofas aerobias llamadas nitrificantes, que utilizan el carbono inorgánico como fuente de carbono celular

2NH4+ + 3O2

2NO 2 - + 2H 2 O + 4H + + energía Nitrosomonas

2NO 2 - + O 2

2NO 3 - + energía Nitrobacter

En resumen: NO 3 - + 2H + + H2 0

NH 4+ + 20 2

La velocidad de la reacción global está controlada por la actividad de las nitrosomonas, es decir, por la velocidad de oxidación del nitrógeno amoniacal a nitritos. La energía liberada durante la oxidación del amonio es del orden de 54 a 84 Kcal/mol NH 4+, mientras que la liberada durante la oxidación del nitrito es tan sólo de 15 a 21 Kcal/mol de NO 2-. La energía que obtienen las bacterias nitrificantes con estas reacciones es muy escasa, por lo que su velocidad de crecimiento es muy lenta. Si la síntesis celular por unidad de energía producida fuera la misma en ambos casos, debería producirse más masa de nitrosomonas que de nitrobacter por mol de N oxidado. Las bacterias nitrificantes son autótrofas y utilizan el CO 2 como fuente de carbono durante el proceso de síntesis celular. Se deduce que la alcalinidad consumida durante el proceso es de 7,1 g CaCCVg NH 4+-N oxidado, lo que puede reducir significativamente el pH del sistema. Muchas aguas residuales no tienen capacidad tampón suficiente y la disminución de pH (pH < 7,0) propicia a una rápida disminución de la tasa de nitrificación. 

Desnitrificación: Es un proceso de reducción biológica del nitrato a nitrógeno gas. Durante el proceso de reducción, el nitrato se transforma inicialmente en nitrito y éste en óxido nítrico, óxido nitroso y finalmente en nitrógeno gas que se libera a la atmósfera. Los organismos responsables de esta reacción son principalmente heterótrofos aerobios facultativos, que pueden adaptarse a las condiciones del medio en que se encuentran. En condiciones anóxicas estas bacterias son capaces de utilizar los nitratos y los nitritos como aceptores de electrones en lugar del oxígeno disuelto. 66

El proceso de desnitrificación implica la transferencia de electrones entre un dador de electrones reducido (materia orgánica) a un aceptar de electrones oxidado (oxígeno, nitrato, nitrito o sulfato). El uso del nitrato o del nitrito, en lugar del oxígeno disuelto conlleva a una producción ligeramente inferior de energía durante la síntesis celular. Por otra parte, la utilización de los nitratos genera más energía que la utilización de los sulfatos. Bacterias Nitrificantes: Nitrobacter y Nitrosomonas

(2)

(1)

Vista microscópica de una (1) nitrosomona y una (2)nitrobacter

Las bacterias nitrificantes son quimiolitótrofos usan donadores de electrones como fuente de energía son autótrofos. El control del nitrógeno en efluentes líquidos a través de la aplicación de procesos biológicos fue conocido en los Estados Unidos al final de la década del 60, siendo este identificado como de importancia por los efectos adversos de las distintas formas del nitrógeno en los sistemas acuáticos. Los procesos biológicos de remoción de nitrógeno (nitrificación y desnitrificación) se presentan con mucha eficacia y simplicidad cuando son comparados con los métodos físico- químicos como la cloración y el intercambio iónico, siendo estos últimos utilizados en situaciones especificas y estos últimos a veces no son ambientalmente compatibles con los procesos biológicos. Por esta razón los procesos biológicos para la remoción de nitrógeno están sustituyendo a los procesos físico-químicos y están teniendo aplicaciones crecientes, aun en las condiciones mas adversas, con mejores costos de operación. Las cinéticas de nitrificación y de desnitrificación pueden ser consideradas como el estudio de dos factores que influencian las tasas de reacciones químicas. Las bacterias nitrificantes que actúan en el tratamiento de aguas residuales son principalmente las Nitrosomonas que únicamente llevan a cabo la reacción de oxidación del amonio a nitrito para obtener energía metabólica y las Nitrobacter que oxidan el nitrito a nitrato y obtiene energía gracias exclusivamente a este proceso: 67



Oxidantes de amoniaco o nitrosificantes



Oxidantes de nitrito o nitrificantes

Oxidación del amonio: a. NH4 + ½ O2

NH2OH + H

b. NH2OH + O2 + 2ADP + 2PO4

HNO2 + H2O + 2 ATP

Oxidación del nitrito: NO2 + ½ O2 + ADP + PO4

NO3 + ATP

Esquema de la acción de las bacterias nitrificantes

68

El crecimiento de las Nitrosomonas esta limitado por la concentración de amonio y el crecimiento de las Nitrobacter esta limitado por la acumulación de nitrito.

En la membrana de las bacterias nitrificantes se encuentra la enzima amoniaco monooxigenasa que oxida el NH3 hasta hidroxilamina y esta se oxida a NO 2 y bacterias nitrosificantes

Reacciones

NH 3  O2  2e   2 H   NH 2OH  H 2O 1 NH 2OH  H 2O  O2  NO2  2 H 2O  H  2

1 NH 3  1 O2  NO2  H 2O 2

G  275 KJ / reacción

Nitrificantes

1 NO2  O2  NO3 2 G o  74.1KJ / reacción 69

Reacción de la amoniaco monooxigenasa NH3 + O2 + 2H+ + 2e-

NH2OH + H2O

Requiere suministro de oxigeno de 2e - + 2H+ para reducir el O2 a H2O. Los e- se originan en la oxidación de la hidroxilamina oxidoreductasa mediante el citocromo C y la Ubiquinona. Es así como cede 4e- generados en la oxidación de NH3 a NO2, solo dos llegan a la oxidasa terminal (citocromo aa3) . Las bacterias oxidadoras de nitritos usan la nitrito oxido reductasa para oxidar el nitrito a nitrato con e- viajando a través de una cadena de e - muy corta (debido al alto potencial del par NO3-/NO2) hasta la oxidación terminal. En la cadena de transporte de e- de los oxidadores de nitrito están los citocromos del tipo a y c, y la generación de protones (que en última instancia, dirige la síntesis de ATP) que ocurre por la acción de citocromos aa3, solo se obtienen pequeñas cantidades de energía por lo que el crecimiento de éstas bacterias es bajo.

NO6 / NH 3  0.34 E’o

NO3 / NO2  0.43 E’o Los potenciales altos determinan que las bacterias tengan que donar sus e - a cadenas de transporte de electrones, en los últimos pasos del proceso global lo que limita la cantidad de ATP que se puede obtener de cada par de e -. Metabolismo de las bacterias nitrificantes a) Nitrosomonas Características:  Gran negativo  Bacilo corto o largo  Móviles con flagelos polares o inmóviles  Sistema membranoso periférico Grupo Filogénico: Proteobacteria Beta DNA (GC molº%) 45-53 En la generación de energía en las nitrosomonas se oxida el amonio en nitrito y se realiza con la ayuda de dos enzimas AMO (del inglés ammonia monooxygenase) y de HAO (hydroxylamine oxidoreductase en inglés). 70

Los electrones que se extraen son donados directamente a un sistema transportador de electrones, se produce asi un gradiente de protones que puede sintetizar ATP con la ayuda de la ATP sintetasa.

Producción de energía en la nitrosomona

b) Nitrobacter Caracteristicas:  Bacilo corto se dividen por gemación  Ocasionalmente móviles (con flagelo terminal y un sistema de membranas en un extremo). Grupo Filogénico: Alfa DNA ( GC mol% 59 - 62) En el paso de nitrito a nitrato interviene una enzima llamada nitrito oxidasa que esta localizada la parte interna de la membrana. Los electrones son transportados al oxígeno mediante una cadena que incluye a los citocromos a1, cc y aa3. Debido al alto potencial Redox (+0.42V) la cadena de electrones que se establece es muy corta y sólo se sintetiza un ATP.

71

Esquema de la producción de energía en Nitrobacter

72

Conceptos y fundamentos de la nitrificación biológica La nitrificación es un proceso biológico, llevado a cabo por las bacterias especiales ya mencionadas, esto ocurre naturalmente en sistemas donde existan condiciones aeróbicas y con presencia de nitrógeno amoniacal. Este proceso, en apariencia bastante simple, requiere que se mantengan controladas las condiciones, caso contrario los propios productos del metabolismo de las bacterias causaran un aumento de toxicidad siendo nocivo para ellas mismas. La cantidad de oxigeno requerida es alta ( 4,6 mg O 2/ mg N amoniacal ), este valor es mayor que la cantidad necesaria para la oxidación de DBO. Normalmente es un proceso favorecido por la cantidad alta de lodo. La concentración de O.D.(oxigeno disuelto) tiene influencia directa en el comportamiento lineal de la velocidad y la tasa de nitrificación. Las tasa y velocidades óptimas pueden ser obtenida con niveles de O.D. en el orden de 4,0 mg O2/l, donde exista una población óptima de bacterias nitrificadoras. Una eficiente nitrificación oscila entre 85 y 99% en condiciones normales, teniendo eficiencias menores fuera de los rangos adecuados de pH , O.D. y edad del lodo; el control del pH es unos de los dos factores mas decisivos en la eficacia del proceso debido a posibles fluctuaciones del tenor de nitrógeno introducidas por los efluentes. 

Efecto de la Temperatura El proceso de nitrificación ocurre en un amplio rango de temperatura, de 4º a 45º C, siendo la temperatura óptima para Nitrossomonas igual a 35º C y un rango óptimo de temperatura entre 35º a 42º C para las Nitrobacter. Este proceso es fuertemente dependiente de la temperatura. Estimaciones para la tasa máxima de crecimiento de las Nitrossomonas, están en un ámbito de temperatura de 10º a 30º C. La tasa de nitrificación decrece encima de 30º- 35ºC. Este rango de temperaturas esta limitada por un aumento anticipado de la tasa de reacción con la temperatura o porque se produce una desnaturalización de las proteínas por encima de la temperatura crítica.



Efecto de la concentración del Oxigeno Disuelto La concentración de oxigeno disuelto - OD tiene un efecto significante sobre las tasas de crecimiento de las nitrificadoras en los tratamientos biológicos. Una relación entre el OD y la cinética de nitrificación presenta las siguientes relaciones: Un valor de OD para el cual la nitrificación ocurra esta limitada puede ser de 0,5 a 2,5 mg/l, tanto en sistemas de crecimiento en suspensión, como para aquellos de crecimiento agregado, en condiciones de equilibrio, 73

dependiendo del grado del transporte de masa o la resistencia disfuncional entre el tiempo de retención de los sólidos. Un tiempo alto de retención de sólidos puede ser necesario para garantizar la nitrificación completa en bajas concentraciones de OD y para condiciones donde la resistencia disfuncional sea significante. Podemos concluir que la tasa de crecimiento de las Nitrossomonas no está limitada en niveles de OD por encima de 1,0 mg/l, en la práctica, es requerido un OD mayor de 2,0 mg/l. Cuando en proyectos de sistemas de aireación a inyección de oxigeno en un sistema de crecimiento en suspensión (lodo activado etc.) es recomendado que el nivel mínimo de OD sea estipulado en 2,0 mg/l, en todo el tiempo, a través de el reactor biológico para prever picos de carga de amonio en el reactor biológico. 

Efecto del pH e inhibidores Las condiciones de pH de los reactores biológicos tienen un efecto significativo en la tasa de nitrificación. El grado de aclimatación a un pH correspondiente esta demostrado en la figura 3. Un largo rango de pH como el adecuada. Cuando el pH se mueve para el lado ácido, declina la tasa de oxidación del amonio. Esta tendencia ha sido demostrado como verdadera tanto en poblaciones aclimatadas como en las no aclimatadas. El efecto del pH se muestra mucho mas como inhibidor que como tóxico, en un pH menor que 6, recordando que muchos investigadores afirman que en estas situaciones el ácido nitroso es toxico tanto a las Nitrosomonas como a las Nitrobacter. Los organismos nitrificadores son susceptibles a una inmersa serie de inhibidores orgánicos e inorgánicos. Como regla general de aclimatación, las nitrificadoras pueden adaptarse a muchos inhibidores, desde que estos están constantemente presentes en el reactor biológico. Determinadas substancias inorgánicas, incluyendo algunos metales, son inhibitorios para las bacterias nitrificadoras. Los metales pesados, en concentraciones del orden de 10 a 20 mg/L puede ser bien tolerados por las nitrificadoras debido a la baja concentración iónica de los metales en el rango de pH de 7,5 - 8,0. Los compuestos inorgánicos identificados como inhibidores potenciales de la nitrificación son los siguientes: zinc, cianuros, percloratos, cobre, mercurio, cromo, níquel, plata, cobalto, tiocianatos, azida de sodio, hidrazina, cromato de potasio, cadmio, arsénico trivalente, fluoruros, plomo.

74

IX. RESULTADOS EXPERIMENTALES Se tomaron las muestras del agua del afluente a los filtros biológicos percoladores de la Planta Chilpina; muestras con las que se hizo las pruebas experimentales a nivel de laboratorio, con lo que se determinó los diversos parámetros a tener en cuenta en el proceso de tratamiento de aguas residuales por filtros percoladores. Análisis de datos proporcionados por la misma planta de Chilpina, se tienen los resultados de los análisis de aguas del afluente y efluente a los filtros percoladores.

Análisis de Aguas Parámetro

Muestra afluente

pH Conductividad (uMho/cm) Dureza total (mg CaCO3/l) Alcalinidad total (mg CaCO3/l) Sólidos solubles (mg/l) Sólidos en suspensión (mg/l) Sulfatos (mg SO42-/l) Cloruros (mg Cl-/l) Fosfatos (mg PO42-/l) DBO5 (mg/l como oxígeno) DQO (mg O2/l) Nitrógeno amoniacal (mg N/l) Nitrógeno total (mg N/l)

7.1 1180.0 156.17 230.72 792.0 168.0 138.5 159.22 31.5 820.0 691 53.17 69.24

Muestra efluente 7.1 1185.0 158.86 259.31 670.0 88.0 113.0 159.22 33.25 720.0 401.0 46.47 61.84

El análisis microbiológico dio lo siguientes resultados para el agua de afluente y efluente de la planta de Chilpina: Afluente Coliformes Totales

:

2400 / ml

:

240/ml

Efluente Coliformes totales

75

El análisis se realizó a una dilución de 1- 10

76

El experimento se realizó en un filtro percolador a nivel laboratorio, donde el agua residual goteaba continuamente hacia el filtro biológico con las piedras que contenían la película de microorganismos, los cuales degradarían la materia orgánica, a flujo continuo. El esquema es el siguiente:

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Los resultados de los análisis de las muestras del proceso son los siguientes

Primera toma de muestras - Análisis de Muestras Parámetro

Muestra afluente

DBO5 (mg/l como oxígeno) DQO (mg O2/l) Nitrógeno amoniacal (mg N/l) Nitrógeno total (mg N/l) Sólidos en suspensión (mg/l) Fosfatos (mg PO43-/l) Fósforo (mg P/l)

716.6 870.0 84.0 190.0 300.0 40.75 13.29

Muestra efluente 666.0 689.0 57.4 92.4 140.0 40.8 13.31

Segunda toma de muestras - Análisis de Muestras Parámetro

Muestra afluente

DBO5 (mg/l como oxígeno) DQO (mg O2/l) Nitrógeno amoniacal (mg N/l) Nitrógeno total (mg N/l) Sólidos en suspensión (mg/l) Fosfatos (mg PO43-/l) Fósforo (mg P/l)

820.0 1319.0 96.6 226.8 292.0 38.25 12.48

Muestra efluente 616.0 722.0 70.0 162.4 192.0 38.75 12.64

Tercera toma de muestras - Análisis de Muestras Parámetro

Muestra afluente

DBO5 (mg/l como oxígeno) DQO (mg O2/l) Nitrógeno amoniacal (mg N/l) Nitrógeno total (mg N/l) Sólidos en suspensión (mg/l) Fosfatos (mg PO43-/l) Fósforo (mg P/l)

666.6 664.0 105.7 256.9 292.0 38.25 12.48

Muestra efluente 616.6 500.0 47.6 113.4 120.0 38.75 12.64

Cuarta toma de muestras - Análisis de Muestras Parámetro

Muestra afluente

DBO5 (mg/l como oxígeno) DQO (mg O2/l) Nitrógeno amoniacal (mg N/l) Nitrógeno total (mg N/l) Sólidos en suspensión (mg/l) Fosfatos (mg PO43-/l) Fósforo (mg P/l)

1840.0 2204.0 106.4 284.2 332.2 37.5 12.23

78

Muestra efluente 1535.0 968.0 53.2 124.6 164.0 39.0 12.72

Con estos resultados se puede calcular la eficiencia del filtro percolador para cada uno de los experimentos. Se utiliza la siguiente fórmula para el cálculo de la eficiencia del filtro percolador:

 S0  S e   100  S0 

Eficiencia  

donde: S0 = concentración de DQO en la alimentación (mg DQO/l) Se = concentración de DQO en la salida (mg DQO/l)

Cálculo eficiencias: Experimento 1:

 870  689   100  20.80% 870  

Eficiencia  

Experimento 2:

 1319  722   100  45.26% 1319  

Eficiencia  

Experimento 3:

 664  500   100  24.70% 664  

Eficiencia  

Experimento 4:

 2204  968   100  56.08% 2204  

Eficiencia  

Las eficiencias varían algunas considerablemente, esto puede ser debido a los diferentes factores que determinan la eficiencia de los filtros, ya que se realizaron a diferentes horas del día. Los valores de eficiencia bajos se realizaron en horas de la noche, sin luz solar, mientras que los de valores altos se realizó en horas del día con luz solar, por lo que se puede observar que la temperatura y la luz solar es un factor importante en el trabajo de las bacterias.

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Es muy probable que esto dependa de las algas que se encuentran presentes en la biopelícula y a la vez en la materia orgánica que se encuentra en las aguas residuales, las cuales aportan oxígeno para que el proceso aerobio sea más eficiente. Se puede comparar con datos de eficiencias obtenidos de los filtros percoladores de la Planta de Chilpina:

Día 13 de Agosto 2008: Eficiencia Biofiltro Nº 1: Eficiencia Biofiltro Nº 2:

47.60% 57.13%

Día 14 de Agosto 2008: Eficiencia Biofiltro Nº 1: Eficiencia Biofiltro Nº 2:

21.05% 36.84%

Día 20 de Agosto 2008: Eficiencia Biofiltro Nº 1: Eficiencia Biofiltro Nº 2:

52.18% 44.99%

Día 13 de Agosto 2008: Eficiencia Biofiltro Nº 1: Eficiencia Biofiltro Nº 2:

9.52% 38.09%

Teniendo en cuenta todos estos datos y la previa información teórica se puede concluir que el sistema de filtros percoladores tiene muchas ventajas frente a otros procesos de tratamiento de aguas residuales. Las principales ventajas del proceso con filtros percoladores son: 

Aplicables a instalaciones nuevas o para modernización de plantas existentes que cuenten con filtros percoladores.



Capaz de alcanzar consistentemente un efluente de muy alta calidad (<20 mg/L DBO y SS)



Proceso relativamente sencillo



Bajo costo y técnica de modernización confiable



Se pueden diseñar para que haya desnitrificación

80



Muy económicos en el consumo de electricidad

Las principales desventajas de este proceso son: 

Se requiere de clarificación primaria



Se requiere de bombeo para alimentar al filtro percolador



Posibilidad de generar malos olores en los clarificadores primarios, el filtro percolador y las instalaciones de manejo de lodos residuales



Requerimientos de Operación y mantenimiento moderados, es necesario contar con un operador capacitado

X. CONCLUSIONES 

Se ha llegado a conocer el proceso de tratamiento de aguas por filtros percoladores, así como su diseño y parámetros a tener en cuenta.



Se identificaron todos los microorganismos que participan en la degradación de la materia orgánica que están presentes en los filtros, necesario para su posterior uso en las pruebas experimentales.



Se conoce el proceso bioquímico de degradación de la materia orgánica en los filtros percoladores y el rol de los diferentes microorganismos a lo largo de la degradación, así como las rutas metabólicas que siguen los diferentes organismos.



Se comprendió la importancia del tratamiento de aguas residuales para e mantenimiento de la higiene ambiental y el papel fundamental de el uso de microorganismos en el proceso.



Se llegó a obtener datos experimentales del filtro percolador, obteniendo una eficiencia promedio del filtro percolador de 36% a nivel de laboratorio, comprobando se que los microorganismos llegaron a consumir gran parte de la materia orgánica, dándonos una eficiencia aceptable.



Los parámetros a tomar en cuenta de mayor importancia son la demanda bioquímica de oxígeno (DBO 5) y la demanda química de 81

oxígeno (DQO), con lo cual se puede obtener la eficiencia de los filtros percoladores 

Se tiene claras ventajas de costos frente a otros procesos de purificación de aguas residuales, lo cual trae consigo que escoger filtros percoladores sea una manera confiable y a la vez rentable de tratamiento de aguas residuales.

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XI. BIBLIOGRAFÍA Y PÁGINAS WEB CONSULTADAS 

Bioquímica de los microorganismos Parés y Juaréz. Editorial Reverté Pág. 277  Biología de los Microorganismos Brock. Editorial Prentice Hall Pág. 465-469, 497

Química en la comunidad American Chemical Society, segunda edición 

REGLAMENTO TÉCNICO DEL SECTOR DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BASICO RAS – 2000. Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. Ministerio de Desarrollo Económico. República de Colombia. BOGOTA D.C., NOVIEMBRE DE 2000. Pags. 68 - 73



http://www.tdx.cesca.es/TESIS_UPC/AVAILABLE/TDX-0727105133519//08Mjkm08de18.pdf



http://membres.lycos.fr/neb5000/BacteriologieI/Groupes %20Bacteriens/Bacteries%20chimiolithotrophes%20aerobies%20et %20apparentes.htm



http://www.marietta.edu/~mcshaffd/aquatic/sextant/chemnitr.gif



http://www.bact.wisc.edu/Microtextbook/images/textbook/metabolism/ NitrificationET.jpg



www.microbialgenome.org



http://www.lenntech.com/espanol/FAQ-microbiologia-del-agua.htm



http://www.ingenieroambiental.com/mayo2005/Apunte-calidad-delagua.doc

 http://www1.ceit.es/asignaturas/ecologia/hipertexto/11CAgu/180Depur.ht m#Biológicos http://html.rincondelvago.com/aguas-residuales-de-tarragona.html http://personal.telefonica.terra.es/web/ayma/atlas_p.htm

83

http://www.tdx.cesca.es/TESIS_UAB/AVAILABLE/TDX-0802101093242//jopc1de5.pdf http://www.monografias.com/trabajos10/tratamie/tratamie.shtml? monosearch catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/reyes_l_s/capitulo3.pdf http://www.hannachile.com/consejos/47/bioqu %C3%ADmica_Oxigeno.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Demanda_qu%C3%ADmica_de_ox %C3%ADgeno http://es.wikipedia.org/wiki/Demanda_biol%C3%B3gica_de_ox %C3%ADgeno http://personal.us.es/jmorillo/medicion5/DBO5.pdf http://www.drcalderonlabs.com/Metodos/Analisis_De_Aguas/Determinacio n_de_DBO5.htm http://www.cricyt.edu.ar/enciclopedia/terminos/DBO.htm http://personal.us.es/jmorillo/medicion5/DQO.pdf http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/reyes_l_s/capitulo 6.pdf

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