Trabajo final

Bases biológicas del
tratamiento de aguas
residuales

Silvia Pallarés Perán

Índice

1. Introducción
2. El ecosistema depurador
3. Tratamiento secundario
4. Tratamiento de lodos


1. Introducción
Objetivo: biodegradación de la materia orgánica del
influente, mediante un tratamiento preliminar de
tipo físico y un proceso de depuración biológica
posterior. En el tratamiento biológico se asimila la
materia orgánica a partir de la floculación y
metabolización selectiva de nutrientes (N y P), en
el que interviene un cultivo microbiológico
constituido principalmente por bacterias, que han
sido seleccionadas en el agua residual por
modificación de los parámetros operacionales.


1. Introducción

La planta de tratamiento debe tener como
propósito eliminar la contaminación
química y bacteriológica del agua que
pueda ser nociva para seres humanos, flora
y fauna » eliminando, al menos, un 90% de
la materia orgánica y de los
microorganismos patógenos presentes


1. Introducción
El efluente final puede ser reintroducido a un
cuerpo de agua natural (corriente, río o
bahía) u otro ambiente (tierras húmedas,
cursos de golfo, caminos verdes...). Los
sólidos biológicos segregados experimentan
un tratamiento y neutralización adicional
antes de la descarga o reutilización.


Diagrama de una planta
convencional


Dentro de un ecosistema, se puede distinguir:
- biotopo:
- Oxígeno aportado
- Recirculación (mantenimiento de la biomasa activa)
- Características del agua residual de entrada
- biocenosis:
- Descomponedores: bacterias, hongos y flagelados
- Consumidores: ciliados, flagelados, rizópodos y
pequeños metazoos, que establecen relaciones de
competencia entre sí por el alimento y la depredación

Fases de crecimiento bacteriano y protozoario:

 Latencia: tiempo hasta alcanzar velocidad de
crecimiento constante
 Exponencial o logarítmica
 Estacionaria: número de células viables
estable por limitaciones medio ambientales
 Muerte: disminuye el número de células


Estos grupos de organismos reaccionan, junto
con la materia orgánica del medio, formando
estructuras ecológicas de menor tamaño, con
capacidad depuradora. Estas estructuras
ecológicas mínimas se denominan flóculos. Un
flóculo está compuesto por materia orgánica,
bacterias filamentosas y formadoras de flóculo
y constituye, en sí mismo, el núcleo de la
depuración.



La concentración de bacterias filamentosas en
el flóculo crea el entramado sobre el que se
asientan el resto de componentes:
- descenso excesivo provoca debilitamiento y
rotura del flóculo
- concentración elevada provoca un aumento
de la superficie flocular que dificulta la
decantación

Si valoramos el entramado y el estado del
flóculo, podemos realizar una estimación sobre la
fase de formación en la que éste se encuentra:
 Fase de formación: el flóculo apenas está definido
 Fase de crecimiento: 60-90 μm
 Fase de desarrollo óptimo: 1500 μm
 Fase de envejecimiento: > 1500 μm
Estructura óptima: el flóculo presenta un núcleo de
materia orgánica condensada, donde se produce un
ambiente anóxico y un exterior aerobio

 Flóculo: ciliados reptantes (ingesta de bacterias en
superficie y oxigenación), ciliados sésiles (dan
consistencia e ingieren bacterias) y bacterias
(forman de flóculo)

 Espacio interflocular: protozoos ciliados
nadadores, flagelados y amebas

Las bacterias filamentosas y los metazoos compartes
ambos ambientes.


3.1. Lechos bacterianos
3.2. Fangos activos
3.2.1. Principales microorganismos del
fango activo
3.2.2. Microorganismos filamentosos:
problemas de floculación



Objetivo: reducción de la materia orgánica, en
disolución y estado coloidal, una vez
superadas las fases de pretratamiento y
tratamiento primario


El tratamiento consiste en un proceso biológico
aerobio natural controlado, en el que participan los
microorganismos del agua residual, que se
desarrollan en un reactor de aireación, y los que se
desarrollan, en menor medida en el decantador
secundario. Principalmente bacterias, se alimentan
de contaminantes orgánicos solubles
biodegradables, originándose una biomasa
bacteriana que precipita en el decantador
secundario. El sedimento que se produce se
denomina lodo activado.

Los microorganismos del reactor aireado pueden
estar:
- en suspensión: procesos de crecimiento
suspendido o fangos activados » la biomasa está
bien combinada con las aguas residuales
- adheridos a un medio de suspensión: procesos de
crecimiento adherido o de película fija » la
biomasa crece en el medio y el agua residual pasa
a través de él
- procesos de crecimiento mixto

Procesos de depuración:
- Fangos activos
- Lechos bacterianos
- Lagunaje
- Filtros verdes
- Lechos de turba
- Contactores biológicos rotatorios

Lagunaje


3.1. Lechos bacterianos
Tanques circulares rellenos de piedras o materiales
sintéticos formando un filtro con gran superficie
específica y elevada porosidad.
El agua se rocía sobre el lecho y se forma una
película (bacterias, protozoos y hongos
alimentados por la materia orgánica) que recubre
los materiales. El oxígeno disuelto se aporta por
absorción de aire entre los huecos del lecho.
Se emplea en pequeñas poblaciones
Ventaja respecto a los fangos activos: no necesita
aporte de energía

Lecho bacteriano


3.2. Fangos activos
Consiste en un proceso continuo en el que el agua
residual se estabiliza biológicamente en balsas de
activación, en condiciones aerobias. El efluente de
los decantadores primarios pasa a estas balsas que
necesitan aporte de oxígeno para la acción
metabólica de los microorganismos. Este aporte se
efectúa mediante turbinas o a través de difusores
dispuestos en el interior de la balsa. En este caso,
el suministro de aire se realiza mediante
turbocompresores.


3.2. Fangos activos


3.2. Fangos activos
La agitación evita sedimentos y homogeniza la
mezcla de flóculos bacterianos y agua residual
(licor de mezcla). Después de un tiempo de
contacto de 5-10 horas, el licor de mezcla se envía
a un decantador secundario que separa el agua
depurada de los fangos. Un porcentaje de estos se
recirculan al depósito de aireación para mantener
una concentración suficiente de biomasa activa
que garantice los nutrientes (N y P) necesarios
para un funcionamiento correcto.


3.2. Fangos activos
La DBO del agua se reduce un 75-90%, pero la del
fango se reduce en menor medida, por lo que es
necesario el posterior tratamiento de estos.
Para que se verifique el proceso, debe haber
equilibrio entre los microorganismos que se
mantienen en el reactor y el alimento contenido en
el agua residual, por lo que es necesario regular el
caudal de fangos que se introduce en la balsa de
activación en función de la cantidad de alimento
que entra con el agua residual.

3.2. Fangos activos
3.2.1. Principales microorganismos

El mecanismo general del sistema de fangos activos:

Mat. Org. + Microorg. + O2
CO2 + H2O + NH3/NH4+ + Microorg. + Energía

La biodegradación la llevan a cabo los
microorganismos que forman el flóculo


3.2. Fangos activos
A medida que aumenta el tamaño del flóculo, el
oxígeno en su interior disminuye, y se pueden
formar zonas de anoxia donde pueden crecer
bacterias anaerobias metanogénicas que pueden
arrancar el proceso de digestión anaerobia de
fangos.
El componente biológico principal está constituido
por una amplia variedad de microorganismos.


3.2. Fangos activos
 Bacterias: estructura básica del flóculo.
Generalmente, heterótrofas o autótrofas
nitrificantes. Un flóculo ideal contiene
bacterias filamentosas desarrollándose en
equilibrio con el resto.
 Hongos: algunos filamentosos pueden
aparecer en los fangos activos


3.2. Fangos activos

 Protozoos ciliados (libres, fijos o reptantes):
mejoran la calidad del efluente y regulan la
biomasa bacteriana mediante predación de
las bacterias dispersas del licor de mezcla.
 Metazoos: eliminan bacterias libres y
posibles patógenas » nemátodos, anélidos,
crustáceos, rotíferos o ácaros

Protozoos ciliados


Rotíferos


3.2. Fangos activos
 Algas microscópicas: pueden aparecer en aguas
residuales con gran cantidad de materia orgánica

La presencia de diferentes organismos determina la
DBO, puesto que cada grupo requiere unas
condiciones de oxígeno determinadas.

El componente no biológico del flóculo contiene
partículas orgánicas e inorgánicas del agua
residual, que contribuyen a la biofloculación.

Algas microscópicas


3.2. Fangos activos
Componentes del fango que, bajo condiciones
específicas pueden entrar en competencia con las
bacterias formadoras de flóculo, originando una
serie de efectos sobre la estructura flocular. Por un
lado, su ausencia puede dar lugar a flóculos
pequeños y sin cohesión, produciéndose un
efluente final turbio. Por otra parte, si la cantidad
de filamentos es alta podemos encontrarnos con
dos tipos de problemas biológicos.


3.2. Fangos activos
 Esponjamiento filamentoso o “bulking”: el fango
activo sedimenta lentamente y no se compacta
debido al hinchamiento provocado por la excesiva
proliferación de bacterias filamentosas

 Espumamiento biológico o “foaming”: los
microorganismos filamentosos producen una
espesa espuma coloreada (de blanco a marrón) y
abundantes flotantes en la decantación secundaria

Bulking


Foaming


3.2. Fangos activos
Entre los tipos de microorganismos filamentosos se
encuentran:
 Bacterias Gram negativas con vaina
 Cianobacterias
 Bacterias Gram positivas: bacilos, cocos que
forman filamentos y bacterias del grupo de las
micobacterias que forman filamentos cortos
 Quimiolitótrofos oxidantes del azufre


4. Tratamiento de los lodos
4.1. Espesamiento
4.2. Digestión
4.2.1. Digestión anaerobia
4.2.1.1. Procesos microbiológicos
4.2.1.2. Tipos de reactores anaerobios
4.2.2. Digestión aerobia
4.2.3. Resultados comparativos
4.2.4. Tratamiento especial: eliminación de N y P
4.3. Acondicionamiento de los fangos
4.3.1. Deshidratación
4.3.2. Secado

Los lodos contienen gran cantidad de agua
(99%), microorganismos patógenos y
contaminantes orgánicos e inorgánicos.
Habrá que reducir su fermentación y
volumen. Los fangos se producen por
sedimentación en los decantadores de los
procesos de tratamiento. Una parte de la
biomasa (decantación secundaria) se
recircula al depósito de aireación.

Su tratamiento depende de la composición y del tipo
de agua residual del que proviene. Las fases más
usuales en un proceso de tratamiento y evacuación
de fangos son: concentración o
espesamiento, digestión, acondicionamiento, secad
o, incineración y/o eliminación.
El propósito del tratamiento de los lodos es destruir
los microbios patógenos y reducir el porcentaje de
humedad.

4.1. Espesamiento
Objetivo: reducir el volumen para facilitar su
manejo. Existen varios tratamientos posibles:

Concentración en espesadores: en un depósito
cilíndrico terminado en un cono de descarga (gran
pendiente) se deposita fango mixto (decantación
primaria y secundaria). Concentración de 5-10 %.


4.1. Espesamiento
Flotación: se inyecta aire a presión al
fango formando un manto en superficie
que, mediante una rasqueta, es barrido hacia
una arqueta. Se utiliza para fangos muy
ligeros con gran cantidad de bacterias
filamentosas.

Centrifugación: se utiliza tanto para
concentración como para deshidratación

4.2. Digestión
Conjunto de procesos microbiológicos que
convierten la materia orgánica en metano en
ausencia de oxígeno. Este proceso es producido
casi únicamente por bacterias.
Se lleva a cabo en digestores, que permiten la
reacción y decantación de los fangos digeridos. En
el proceso se produce un gas biológico (mezcla de
metano (60-70%), CO2 (30%) y trazas de
amoniaco, nitrógeno, anhídrido sulfuroso e
hidrógeno) que se evacua.

4.2. Digestión
El fango introducido en el digestor se agita,
para mantener homogeneidad, mediante un
sistema mecánico, o por medio de la
difusión del propio gas de la mezcla. Para
facilitar el proceso y reducir su duración,
los fangos se calientan a temperaturas de
30-37º, siendo conveniente que este calor se
aporte utilizando como combustible el
propio gas de la digestión.

4.2. Digestión
Puede hacerse en una o dos etapas.
Generalmente, hacerlo en dos etapas (digestores
primarios y secundarios) produce mejores
resultados. En los primarios, el fango se mezcla
constantemente con el propio gas producido para
favorecer la digestión, mientras que en el
secundario se deja sedimentar el fango antes de
extraerlo. El proceso completo dura
aproximadamente 30 días.

4.2. Digestión
Los parámetros de operación son: fase de
arranque, carga orgánica, velocidad de carga
orgánica, toxicidad, temperatura, velocidad de
flujo, tiempo hidráulico de residencia, nutrientes y
producción de fangos.

Los parámetros de control son: concentración de
ácidos volátiles, alcalinidad, pH, sólidos
suspendidos, volátiles y totales, y producción de
metano y gas total.

4.2. Digestión
Ventajas:
- No hace falta constante adición de oxígeno
- Produce menor cantidad de lodos
- El metano puede producir el calor necesario para
la digestión o ser utilizado como fuente de energía
eléctrica
- Baja energía requerida
- Se puede adaptar a cualquier residuo industrial
- Los digestores aceptan altas cargas de materia


4.2. Digestión
Inconvenientes:
- El proceso es más lento
- Es más sensible a tóxicos inhibidores
- La puesta a punto requiere periodos largos
- En muchos casos, se requiere mayor
cantidad de productos a degradar para el
buen funcionamiento

La reacción general podría resumirse como:

Biomasa CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S

Entre las bacterias que forman parte de los digestores
anaerobios se pueden encontrar anaerobias
estrictas o facultativas.

Existen 4 categorías de bacterias convierten la
materia en moléculas sencillas como CH4 o CO2.

 Grupo 1: bacterias hidrolíticas
Rompen enlaces de proteínas, celulosa, lignina o
lípidos (en suspensión o disueltas) en monómeros
o moléculas como aminoácidos, glucosa, ácidos
grasos volátiles y glicerol, por hidrólisis y
fermentación. Estos monómeros pasarán al
siguiente grupo de bacterias.

Este metabolismo anaerobio lo realizan bacterias de
crecimiento rápido a pH inferior a 7.

 Grupo 2: bacterias fermentativas
acidogénicas
Convierten azúcares, aminoácidos y lípidos
en ácidos orgánicos (propiónico, fórmico,
láctico, butírico o succínico), alcoholes y
cetonas (etanol, metanol, glicerol, acetona),
CO2 y H2.


 Grupo 3: bacterias acetogénicas
Ciertas bacterias producen H2 junto a otras que lo
consumen
 Grupo 4: bacterias metanógenas
En esta etapa, las bacterias (anaerobias estrictas) son
esenciales, por catabolizar el ácido acético e
hidrógeno para dar productos gaseosos en
ausencia de energía lumínica y oxígeno. El
elemento acuoso circulante debe tener un pH entre
6,6 y 7,6.

4.2.1.2. Tipos de reactores
Atendiendo a la retención de microorganismos:

1) Contacto de fangos:

Hay separación externa de microorganismos y fango,
que vuelven por recirculación. Indicado para
aguas con gran cantidad de sólidos lentamente
digeribles y fácilmente sedimentables. Los
reactores son voluminosos. Las ventajas son poder
separar la distintas fases del proceso y su gran
estabilidad.

2) Lecho de fangos o suspendido:
Por medio de campanas colectoras, se consigue la
sedimentación de flóculos pequeños que ascienden
adheridos a burbujas de gas. Dispone de un
sistema de introducción y distribución uniforme
del influente, en la base.
El pH debe mantenerse en 6,5-7,8; la temperatura
debe estar entre 38 y 40ºC.
Ventaja: poco volumen consigue gran efectividad


3) Lecho fijo o filtro:
El proceso lo realiza la biomasa, mediante adhesión
como biopelícula en los intersticios de un soporte
inerte, que rellena el digestor y a través del cual se
hace pasar el agua residual a depurar.
El relleno influye sobre el rendimiento del reactor.
La etapa más difícil es la puesta en marcha. Las
ventajas: tolerancia frente a variaciones de carga
orgánica aplicada y corto tiempo de residencia.

4) Lecho extendido y fluidizado:
Los microorganismos se adhieren sobre pequeñas
partículas inertes, con un flujo ascensional con
velocidad suficiente (necesario recircular efluente)
para provocar la expansión del mismo, de forma
que eliminen los peligros de oclusiones.
La mayor parte de la biomasa (80-100%) se
encuentra adherida.
Se reactiva fácilmente después de paradas
frecuentes, aunque éstas sean largas.

4.2. Digestión
La digestión es efectuada por bacterias aerobias, a
temperatura ambiente. El producto final es
anhídrido carbónico y agua. Consiste en
estabilizar el fango por aireación, destruyendo los
sólidos volátiles. El tiempo de aireación suele
oscilar entre 10 y 20 días, según la temperatura.
Suele aplicarse en pequeñas instalaciones.

Los costos de la digestión son más bajos, sin
embargo, los de explotación mayores debido a los
costes energéticos para agregar oxígeno.

4.2. Digestión
Compostaje: mezcla de lodo digerido
aeróbicamente con fuentes del carbón o
llantas trituradas, con el objetivo de
disminuir su humedad. En presencia del
oxígeno, las bacterias digieren los sólidos
de las aguas residuales y la fuente agregada
del carbón y, al hacerlo, producen una gran
cantidad de calor.

4.2. Digestión
Ventajas del tratamiento anaerobio:
- Producción de energía: por acción de bacterias
metanogénicas, gran parte del contenido orgánico
se transforma en gas metano. Este combustible
posee elevado poder energético utilizable. La
depuración aerobia, por el contrario, precisa
grandes cantidades de O2, que deben ser
suministradas por aireadores o compresores, con
el consiguiente consumo energético.

4.2. Digestión
- Producción de fangos: la mayor parte de la materia
orgánica queda convertida en biogás, el sólido
restante queda bien estabilizado y utilizable previa
deshidratación. Los fangos producidos en el
tratamiento aerobio son de 5 a 10 veces superiores
en cantidad, y debido a la gran producción de
materia orgánica celular degradable que contienen,
además de deshidratarlos deben incinerarse para
evitar polución.

4.2. Digestión
- Dimensiones: en el sistema aerobio son
mayores, efectos depuradores similares
- Proceso exterior: producción de malos olores baja
(ambientes cerrados), comparado con los olores
desagradables del sistema aerobio (espacios
abiertos)
- Estabilidad del proceso: presenta mayor
estabilidad, facilidad para el arranque y menor
aporte de nutrientes

4.2. Digestión
Inconvenientes del tratamiento anaerobio:
- Puesta en marcha: es más lenta que en el aerobio
debido a la baja velocidad de crecimiento de los
microorganismos
- Temperatura: requiere, al menos, 35ºC, para que
una actividad bacteriana óptima. Este consumo de
energía, cuando las aguas residuales no vengan
calientes, puede ser autoabastecido por el biogás
producido.

4.2. Digestión
4.2.4. Eliminación de P y N
Cuando las aguas que salen de la EDAR se viertan a
ecosistemas en peligro de eutrofización es
importante eliminar los nutrientes que puedan
llevar, para no aumentar la intensidad del proceso.

Para eliminar P se pasan las aguas por un reactor
anaerobio que facilita una mayor asimilación por
parte de las bacterias. Así se elimina el 60-70%. Si
no es suficiente se completa con una precipitación
química forzada por adición de sulfato de alúmina
o cloruro férrico.

4.2. Digestión
Eliminación de N: durante el tratamiento biológico,
la mayor parte de los compuestos orgánicos de
nitrógeno se convierten en amoniaco
(amonificación). A continuación hay que
conseguir que el amoniaco se convierta a nitratos
(nitrificación) por la acción de bacterias aerobias
nitrificantes (Nitrosomonas y Nitrobacter). Este
proceso de nitrificación necesita reactores de
mayor volumen que los necesarios para eliminar
carbono orgánico. Las temperaturas bajas
dificultan el proceso.

4.2. Digestión
A continuación se procura la eliminación de los
nitratos en el proceso de desnitrificación. Para esto
se usan bacterias en condiciones anaerobias que
hacen reaccionar el nitrato con parte del carbono
que contiene el agua. Como resultado de la
reacción se forma CO2 y N2 que se desprenden a la
atmósfera. Para llevar a cabo estos procesos hacen
falta reactores de gran volumen, aireación de
grandes masas de agua y recirculación de fangos
que complican y encarecen todo el proceso de
depuración.

4.3. Acondicionamiento
Los fangos urbanos y muchos industriales tienen una
estructura coloidal que los hace poco filtrables,
por lo que este sistema consigue un bajo
rendimiento. Para evitar esto se añaden reactivos
floculantes que rompen la estructura coloidal y le
confiere otra de carácter granular de mayor
filtrabilidad. Los más utilizados son las sales de
hierro, sales de aluminio, cal y/o polielectrolito.

El acondicionamiento físico incluye el tratamiento
por calor y el congelamiento de lodos.

4.3.1. Deshidratación de los lodos
Una vez concluida la digestión, los lodos aún
contienen mucho agua (90%) por lo que se
requiere deshidratarlos para su disposición final.
Se han diseñado dos métodos: secado por aire
(lechos de arena, lechos asistidos de arena, lechos
de cuñas, lagunas de lodos, lechos adoquinados y
canchas de secado) y secado mecánico (filtros de
correa, filtros de presión, filtros de vacío y
centrífugas).


Filtros de presión


Filtros banda


Filtros prensa


4.3.1. Deshidratación de los lodos
Los lodos deshidratados pueden llevarse a
rellenos sanitarios, ser depositados en
terrenos agrícolas y no agrícolas o
incinerados. La aplicación en terrenos
agrícolas requiere que el lodo no presente
sustancias tóxicas para las planta, animales
y seres humanos.


Planta de deshidratación de lodos


4.3.2. Secado
Objetivo: eliminar agua para convertir el fango en
una pasta sólida manejable. El sistema depende de
la cantidad de fango y del terreno disponible.

Primer sistema: eras de secado por simplicidad y
bajo costo. Disposición de fangos a secar sobre
superficie al aire libre con buen drenaje. La altura
de la capa varía según características del fango. La
superficie de las eras varía en función del clima.
Se suelen secar cuando la humedad es < 40%. Un
puente rascador sobre carriles se emplea en la
extracción.

4.3.2. Secado
En el caso de EDAR de grandes poblaciones y con
problemas de espacio existen otros mecanismos
como los filtros banda, filtros prensa y/o
centrifugación. En estos casos, el fango producido
suele tener alrededor del 25% de material seco. Es
recogido mediante una cinta transportadora y
enviado a la tolva para su retirada. Una vez seco
puede ser transportado a un vertedero e incinerado
(aguas urbanas con aporte industrial) o utilizado
como corrector de suelos (aguas exclusivamente
urbanas).

Conclusión
El tratamiento secundario se perfila como
proceso fundamental de clarificación de las
aguas residuales. Existen varias técnicas
que permiten, mediante un control de
biotopo y biocenosis, conseguir aguas que
puedan ser reutilizadas o vertidas a cauces
naturales. La producción de fangos será
tratada para mejorar su manejabilidad.

MUCHAS GRACIAS


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