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DIFERENCIAS DE LOS PROCESOS DE DEGRADACIÓNBIOLÓGICOS EN MEDIO AERÓBICO Y ANAERÓBICO

Si bien los procesos naturales de degradación de la materiaorgánica son generalmente anaeróbicos, hay una costum-bre arraigada en la utilización de procesos aereados para laoxidación de la materia orgánica.Los procesos aereados requieren de la presencia de equi-pamientos electromecánicos y por lo tanto, del uso de ener-gía eléctrica. Además, generan un barro más difícil de de-cantar y estabilizar que los barros obtenidos de procesosanaeróbicos.A estas desventajas, se le opone que este tipo de sistemasson bastante compactos e ideales para emplazarlos en lo-calidades que no disponen de mucho espacio. La implemen-tación con éxito de una planta de tratamiento con este tipode sistemas se tiene garantizada y su eficiencia prácticamen-te no depende de las variaciones de temperatura a lo largodel año.Por otro lado, los procesos anaeróbicos son más complejos,muy dependientes de la temperatura y en su reacción seobtienen productos indeseables, como el sulfuro de hidró-geno. Este gas es extremadamente soluble en agua y enpresencia de la humedad ambiente se solubiliza formandoácido sulfíhidrico, que ataca a toda estructura de hierro queencuentre a su paso, provocando en un corto lapso, unacorrosión y un daño irreversible.El manejo de este tipo de procesos anaeróbicos requierede un conocimiento más profundo y de ingenio, pues pormuchos años se consideró que otro gas, producto de la re-acción, también sea considerado indeseable, cuando en rea-lidad es valioso como fuente de energía. Nos estamos refi-riendo al metano.En la Figura 5 se observan las principales diferencias entreambos procesos.

Eficiencias de los procesos de degradación biológicosA modo de ejemplo, compararemos la degradación de laglucosa en un medio aeróbico y posteriormente, en unmedio anaeróbico.

En presencia de oxígeno tenemos:

C6H12O6 +6 O2 6 CO2 +6 H2O -650 cal/mol

En ausencia de oxígeno la degradación será:

C6H12O6 3 CO2 +3 CH4 -34,4 cal/mol

Un análisis rápido nos diría que el calor liberado en anaero-biosis es solo el 5,3 % de la energía liberada en aerobiosis.Como es probable que el orden de magnitud de la energíanecesaria para la síntesis de nuevas células sea el mismo enambos casos, se llega a la conclusión de que, en el campobacteriano, sería más económico buscar la energía vital enprocesos aerobios que en procesos anaerobios. Dicho enotras palabras, parecería que la multiplicación celular seríabastante más abundante en sistemas aeróbicos y el estadofinal se alcanzaría antes, a igualdad de las restantes condi-ciones.Si ahora tomamos una visión un poco más amplia del pro-blema y analizamos mas estrictamente las pertinentes re-acciones, observamos que a la reacción aeróbica hay quesuministrarle 6 moléculas gramo de oxígeno por cada mo-lécula gramo de glucosa. A su vez, el oxígeno es uno de loselementos componentes del aire y se encuentra en una re-lación aproximada del 21 %.Como ya nos estamos imag inando, se necesi tarán

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Tratamiento alternativo de efluentescloacales individuales. PARTE 2

Ulises D. Pepe y Marcelo Oscar Lombardi.

> Palabras claveTratamiento de aguas residuales, aguas residuales,aguas subterráneas; napas freáticas

Figura 5. Procesos de degradación aeróbicos y anaeró-bicos

Continúa de la Edición Nº 77

AIDIS ARGENTINA l Ingeniería Sanitaria y Ambiental l Nº 78 Tratamiento de efluentes cloacales 71

aproximadamente 29 moléculas gramo de aire por molé-cula gramo de glucosa. En condiciones normales de pre-sión y temperatura, una molécula gramo ocupa 22,4 litros,por lo tanto, para degradar una molécula gramo de gluco-sa, harán falta aproximadamente 650 litros de aire. Estascantidad es imp ortantes de ai re son tra nsfer idas a lare acción habitualmen-te por equ ipamientosaccionados por energíaeléctrica. Desde el pun-to de vista estricto de lasíntesis orgánica, para laobtención de nuevascélulas, la reacción aeró-bica es más eficiente,pero ¿es realmente tam-bién más eficiente des-de el punto de vista eco-nómico, donde la varia-ble de la energía consu-mida en el proceso esfundamental?.Como se puede inferir, elcosto de operación delos sistemas aerobios esinferior a los anaerobios.Esta diferencia se hacemás notoria y es limitan-te para los países emer-gentes, donde el preciorelativo de la energía esvarias veces superior a la

de los países hoy conocidos como del Primer Mundo y don-de es práctica común la utilización de sistemas aerobios.Como vemos, la mejor solución para el tratamiento deefluentes para un determinado país, no tiene porqué ser lamejor solución para otro país con economías e indicadoressocioeconómicos diferentes.Este trabajo hace hincapié en ello y trata de desarrollar lamejor solución a nuestra actual situación sanitaria y la demuchos países en desarrollo como el nuestro.La realidad rural de nuestro país es muy dura y nos damoscuenta inmediatamente, que es imposible implementar sis-temas de tratamiento de efluentes o de abastecimiento deagua potable que requieran desembolsos de sumas de di-nero significativas para su operación y mantenimiento.Por estos motivos, se profundizó aún más el estudio de losfiltros anaeróbicos y también, su aplicación a nuestra pro-blemática rural y la de otros países con carencias similaresa la nuestra.Por otro lado, la energía que se consume en la reacción ae-róbica es superior en relación a la reacción anaeróbica.

Mecanismo de las reacciones anaeróbicasHidrólisis: los factores limitantes de la velocidad de reac-ción biológica del proceso son el pH, los lípidos (grasas) y latemperatura.Acidogénesis: velocidad de reacción mayor.Metanogénesis: velocidad de reacción menor, es la etapalimitante en la degradación anaeróbica de productos solu-bles. En sistemas mal operados, hay acumulación de ácidos

Recuadro 2. Transformaciones del nitrógeno orgánico

Recuadro 1. Etapas de degradación de materia orgánica

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orgánicos e inhibición de metanogénesis.En el Recuadro 1 se presenta un diagrama de las etapas dedegradación de la materia orgánica.

Degradación anaeróbia de la materia orgánica presen-te en el efluenteLos principales compuestos orgánicos producidos en el me-tabolismo humano y presentes en las aguas residuales sonhidratos de carbono, lípidos y compuestos nitrogenados.

Hidratos de carbonoLos hidratos de carbono están presentes en un rango me-dio del 25-50 %

Acidos orgánicos.Almidón + H2O Aldehídos CO2+ H2O

Alcoholes

LípidosEl porcentaje medio de lípidos (grasas y aceites) presenteses del 10 %

Alcohol glicérico Ácidos orgánicosTr iglicéridos Aldehídos + CO2 + H2 O+ H2O Acidos grasos Alcoholes

Compuestos nitrogenadosEntre los compuestos nitrogenados constituyentes del aguaresidual, las proteínas y la urea son los más importantes. Lasproteínas aportan alrededor de un 40 %.

Acidos orgánicosProteínas Aminoácidos Aminas + CO2 + H2O+ SH2+ H2O Mercaptanos

En relación a la urea, desarrollaremos en particular, su pro-ceso de degradación, porque la contaminación con nitratode muchos cuerpos receptores se debe a la degradaciónincompleta de ella.

Ciclo de degradación de la urea: Debido a la gran veloci-dad de descomposición de la urea, ésta se transforma rápi-damente en amoníaco por hidrólisis. Esta reacción es cata-lizada por la enzima ureasa.Posteriormente, el amoníaco es transformado en nitrito ynitrato por la presencia de bacterias autótrofas aerobiasestrictas.Algunas de las bacterias que producen nitritación son: ni-trosomonas, nitrosocystis, nitrosospira, nitrosoglea, etc. Entanto, las bacterias que causan nitratación son: nitrobacter,nitrocystis, bactoderma, microderma, etc.

Para los nitrosomonas, la ecuación es la siguiente:

55 NH4+ + 76 O2 +109 HCO3

- C5H7O2N + 54 NO2- +

57 H2O +104 H2CO3

72 Tratamiento de ef luentes cloacales

Para los nitrobacter, la ecuación es:

400 NO2- +NH4

+ + 4 H2 CO3 + H2CO3+ HCO3-+195 O2

C5H7O2N +H2O +400 NO3-

Si bien la nitritación y la nitratación ocurren en medio aero-bio, estas reacciones se llevan a cabo porque el agua utili-zada en el arrastre hidráulico posee oxígeno disuelto o estomada del oxígeno presente en el humus y ese oxígeno esutilizado como fuente de provisión para la oxidación delamoníaco en nitrito y posteriormente, en nitrato.

ureasaH2N-CO- NH2 + H2O 2 NH3 + CO2

El NH3 está presente en equilibrio de acuerdo al pH delmedio según la siguiente reacción de equilibrio:

NH3 +H2O NH4+ + OH-

A niveles de pH superiores a 7, el equilibrio se desplaza ha-cia la izquierda, mientras que el ion amonio es predominantea valores inferiores a 7.En el Recuadro 2, esquematizamos las transformaciones su-fridas por el nitrógeno orgánico proveniente de un efluen-te cloacal urbano afectado por un tratamiento natural, comoes el sistema de pozo absorbente y su posterior infiltraciónen el terreno.Reducción asimilativa: los nitratos y nitritos, en ausencia denitrógeno amoniacal, se reducen a amoníaco, formándosenuevas células. El amoníaco obtenido se oxida a su vez, trans-formándose nuevamente en nitritos y nitratos.Reducción disasimilativa o reducción respiratoria de los nitra-tos: es el proceso conocido como desnitrificación, por el cualbacterias heterótrofas reducen, en condiciones anóxicas, los ni-tratos y los nitritos a gas nitrógeno. La síntesis requiere de pre-sencia de materia orgánica carbonada y trazas de amoníaco.Los principales mecanismos bioquímicos puestos en juegono son anaeróbios, sino modificaciones de mecanismosaerobios. Es por ello que se dice que la reacción de desnitri-ficación ocurre en condiciones anóxicas y no anaeróbicas.La conversión del nitrógeno en forma de nitrato y nitrito anitrógeno gaseoso es llevada a cabo por diversos tipos debacterias, como Achromobacter, Aerobacter,Alcaligenes, Ba-cillus, Brevibavterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micro-coccus,Proteus,Pseudomonas y Spirillum.El primer paso consiste en la conversión de nitrato a nitritoy a continuación, se producen óxido nítrico, oxido nitroso ynitrógeno.

NO3- NO2

- NO N2O N2

Los tres últimos compuestos son gaseosos y se pueden di-fundir a la atmósfera.

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Asimismo, la presencia de oxígeno disuelto inhibe el siste-ma enzimático y la desnitrificación no se producirá.Como se observa en el esquema de las transformacionessufridas por los compuestos nitrogenados derivados de laurea, comprendemos que en los sistemas de tratamientocon pozos absorbentes, si la napa freática se encuentra cer-cana al nivel del terreno, no habrá tiempo suficiente para ladesnitrificación y los nitratos se solubilizan e incorporaránal agua subterránea, contaminando la misma.Este fenómeno se viene produciendo hace tiempo en vastasregiones suburbanas del gran Buenos Aires y es uno de losprincipales motivos de los altos contenidos de nitratos en lasaguas subterráneas en la actualidad.El nitrato, una vez solubilizado en el agua, es prácticamenteirreversible y los cursos subterráneos no tienen capacidadde transformarlo y eliminarlo por métodos naturales (con-siderando la fuente con oxígeno disuelto y sin carbono or-gánico disponible). O sea, que se transforma en una conta-minación permanente.De sd e e l punto de vista econó mico, l a e limina cióndel nitrato es cara y en muchos casos, inviable , de-bién dose descar ta r esa fuen te como suministro deagua p otab le.La remoción habitual del nitrato se realiza habitualmentepor resinas de intercambio iónico o por ósmosis inversa.

CÁMARAS SÉPTICAS

Las cámaras sépticas son los primeros componentes de los sis-temas de tratamiento domiciliario y son fundamentales para

el desempeño futuro de todo el sistema de evacuación domi-ciliario, pero habitualmente se las trata con bastante ligerezaa la hora de conformarlas.Una dimensión no adecuada (pequeña) y un diseño poco es-tudiado de la entrada y salida de la misma, suelen ser la causaprincipal de que el pozo absorbente colapse en poco tiempo.Las grasas y los aceites que se escapan terminarán irreme-diablemente impermeabilizando el pozo absorbente.De la experiencia recogida en el estudio de varios casos, elproceder de los usuarios de este tipo de sistema es similar,aparecen las colmataciones frecuentes y cuando llega elmomento de solucionar el problema y tomar decisiones,hacen ejecutar y habilitar un nuevo pozo absorbente, sinsiquiera sospechar que el problema principal está en la cá-mara séptica.Ahora bien, puede ser que la cámara séptica tenga el tama-ño adecuado y el diseño de su entrada y salida haya sidobien estudiado, pero sin embargo, persistan los problemasde colmataciones frecuentes del pozo.En estos casos, el problema lo provocan los elevados nive-les de la napa freática, el pozo es anegado por la capa freá-tica y puede perder hasta todo su volumen útil.

Índice de remociónEn la tabla 1 se muestran las concentraciones de los contami-nantes hallados en el efluente de las cámaras sépticas.La remoción bacteriana no es significativa y prácticamenteno se detectan cambios a la salida de ella.Remociones típicas de aceite y grasas varían entre el 70 y80 %, produciendo un efluente con concentraciones de

Parámetro 7 localidades 10 cámaras sépticas 19 localidades 4 localidades 1 cámara sépticaDBO5Media 138 (a) 138 140 240 (b) 120Rango 7-480 64-256 ------ 70-335 30-280Nº de muestra 150 44 51 21 50

COD.Media 327 ------ ------ ------ 200Rango 25-780 ------ ------ ------ 71-360Nº de muestra 152 ------ ------ ------ 50

Sol. Sus.Media 49 155 (a) 101 95 (b) 39Rango 10-695 43-485 ------ 48-340 8-270Nº de muestra 148 55 51 18 47

Nitrogeno TotalMedia 45 ------ 36 ------ ------Rango 9-125 ------ ------ ------ ------Nº de muestra 99 ------ 51 ------ ------

a) Valor promedio calculado de 10 cámaras sépticas en 6 series de medicionesb) Calculado en base a la distribución normal logarítmica.

Tabla 1. Datos del efluente de cámaras sépticas de varios estudios realizados

AIDIS ARGENTINA l Ingen iería Sanitaria y Ambiental l Nº 7874 Tratamiento de efluentes clo acales

20-25 mg/L. La remoción de fósforo es mínima (1,5 %) y conuna concentración en el efluente de alrededor de 20 mg/L.total de fosforo.Estudios realizados sobre cámaras sépticas por Brandes, handemostrado que la eficiencia en el tratamiento de las aguasnegras aumenta considerablemente cuando se las separade las aguas grises y se las trata por separado.Los factores que afectan el rendimiento de las cámaras sépti-cas son su geometría, la carga hidráulica, la configuración de laentrada y salida, el número de compartimientos, la tempera-tura y el control de su operación y mantenimiento. Si la cáma-ra séptica es sobrecargada, el tiempo de permanencia se harámás corto y los sólidos pueden no sedimentar correctamente.Una cámara séptica de un solo compartimiento puede tenerun buen rendimiento, pero las de más de un compartimien-to e igual volumen, son mejores y ofrecen mayor proteccióncontra la fuga de sólidos y espumas (Figuras 6 y7 ).Un inapropiado diseño y ubicación en los bafles, puede crearturbulencias en la cámara séptica y perjudicar la normaldecantación de los sólidos, como así también, que la espu-ma y los barros lleguen a la cañería de descarga.Además, problemas de operación y mantenimiento, comosólidos que se drenan con la descarga de los inodoros, pue-den obstruir las cañerías y generar problemas en las cáma-ras sépticas.

DiseñoLa cámara séptica debe diseñarse para asegurar que todoslos sólidos sedimentables puedan ser removidos, para ellodeberán tener:

l Un volumen de líquido suficiente para una retenciónde líquido de por lo menos 24 hs. a máxima cantidadde barro y espuma acumulados.

l Dispositivos de entrada y salida que prevengan la des-carga de barro o espuma en el efluente.

l Suficiente volumen para el depósito de barro y espu-ma para prevenir su descarga con el efluente.

l Ventilación adecuada que le permita ventear los ga-ses formados de metano y sulfuro de hidrógeno.

l Una relación de longitud-ancho que puede variar de2 a 3. Para cámaras sépticas pequeñas se utiliza habi-tualmente la relación menor.

l La profundidad para cámaras sépticas pequeñas pue-de variar entre 0,90 a 1,20 m con una revancha de 0,20a 0,30 m entre el nivel del líquido y la cubierta de lacámara. Para cámaras sépticas de mayor capacidad, laprofundidad no será menor a los 1,20 m y no superiora los 1,70 m. En caso de ser factible, se aconseja utili-zar los valores mayores.

l Distancia mínima entre la superficie del líquido y elborde de la estructura de 0,20 a 0,30 m.

l La velocidad promedio horizontal no deberá excederlos 0,30 m/minuto y en el cálculo del área transversal,se deberá tener en cuenta el volumen para el almace-namiento de lodos.

CriteriosEl primer paso para definir el volumen de la cámara sépticaes determinar el volumen promedio de agua consumidodiariamente. Idealmente, se puede obtener ese dato con unmedidor de caudal aplicado en un lapso determinado en elsuministro de agua. Como ésto generalmente no es posi-ble, principalmente en los edificios o casas en construcción,se calcula el consumo de acuerdo al tipo vivienda y de acuer-do al nivel social y número de personas que habitan.A modo de referencia y teniendo presente que no hay res-tricciones en el uso del agua, se puede sugerir:

Casa rural humilde: 50 L/hab.díaCasa urbana de barrio: 150-200 L/hab.díaCasa suntuosa: Más de 250 L/hab.día

No se aplica el factor de retorno y de esa manera, queda unmargen de seguridad.

De acuerdo a las recomendaciones de la Organización Mun-dial de la Salud para la “Evacuación de excretas para me-dios rurales”, se determinan las capacidades de las cámarassépticas para viviendas particulares y para campamentos yescuelas diurnas (Tablas 2 y 3).Los volúmenes de las cámaras sépticas para viviendas par-

Figura 6. Cámara séptica de dos compartimientos conpantalla

Figura 7. Cámara séptica de un solo compartimiento

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ticulares se pueden calcular considerando el consumo dia-rio más un volumen adicional para el almacenamiento debarros, equivalente a un día de consumo. Para consumosmayores a los 1.000 y hasta los 4.560 litros, la capacidad dela fosa séptica deberá ser, como mínimo, igual a la afluenciade aguas residuales durante un día y medio.Cuando el caudal efluente oscila entre 4.560 y 37.850 litrospor día, la capacidad mínima útil del tanque deberá ser de4.500 litros mas un 75 % de la afluencia diaria de las aguasresiduales. La siguiente tabla indica cómo calcular los volú-menes de los tanques sépticos.

Rango de caudales Volumen útil deldiarios = Q (L/d) tanque séptico (L)Hasta 1.000 2 Q1.000 a 4.560 1,5 Q4.560 a 37,850 4.500 + 0,75 Q

La Tabla 4 muestra los valores de capacidades para los tan-ques sépticos establecidos por la EPA. Antiguamente, se ba-saron en el número de dormitorios por casa.Todavía en muchos estados, los códigos locales se basan enalguna versión de las mencionadas anteriormente, teniendopresente el número de dormitorios.Por otro lado, las variaciones horarias y diarias de los consu-mos provocan descargas con gran concentración de sólidos.Un buen diseño de un tanque séptico con dos compartimien-

tos reduce los efectos de las cargas pico. Otra clave para unbuen diseño y rendimiento, es la relación entre el área super-ficial, el depósito de lodos, la tasa de descarga y su velocidadde salida. Estos parámetros afectan la eficiencia hidráulica yla capacidad de retención de los lodos en el tanque.Tanques con áreas superficiales mayores y más profundos,son preferidos porque incrementan la capacidad de reten-ción de lodos y disminuyen la agitación, permitiendo unavelocidad de descarga mas lenta.Aumentando el área superficial se disminuye la velocidad yse reduce la posibilidad de fugas de lodos y espuma a travésde la salida. Esto se logra incrementando el area de salida re-emplazando la cañería de 110 mm por otra de 150 mm.

Continúa en la próxima ediciónSobre los autores:Ulises D. Pepe es Ingeniero Sanitario y Ambiental egresadode la Universidad de Buenos Aires, Argentina y es especialistaen abastecimiento de agua potable y saneamiento rural. Esademás, miembro de la División de Aguas Servidas (DIASE)de AIDIS Argentina y Consultor del Ente Nacional de Obras Hí-dricas de Saneamiento (ENOHSA). Se lo puede contactar en ladirección <ulidam@yahoo.com.ar>Marcelo Oscar Lombardi es Licenciado en Ciencias del Am-biente egresado de la Universidad Católica de Salta, Argenti-na y es especialista en gestión ambiental. Se lo puede contac-tar en la dirección <m-lombardi@ciudad.com.ar>

Nº máximo de Cámara séptica Ancho Largo Profundidad Profundidadpersonas servidas (L) (m) (m) del líquido (m) total (m)

4 1.890 0,91 1,82 1,22 1,526 2.270 0,91 2,13 1,22 1,528 2.840 1,06 2,28 1,22 1,52

10 3.400 1,06 2,59 1,38 1,6812 4.100 1,22 2,59 1,38 1,6814 4.920 1,22 3,05 1,38 1,6816 5.680 1,38 3,05 1,38 1,68

Tabla 2. Para viviendas particulares

Tabla 3. Para campamentos y escuelas diurnas

Tabla 4. Volúmenes típicos de tanque sépticosFederal Housing Aut. U.S.Public. Healt Ser. Uniform Plumbing Rango de requerimientos

(L) (L) Code (L) entre Estados (L)Mínimo 2.840 2.840 2.840 1893-37851-2 dormitorios 2.840 2.840 2.840 1893-37853 dormitorios 3.407 3.407 3.785 3407-56784 dormitorios 3.785 3.785 4.542 3.785-7.5705 dormitorios 4.731 4731 5.678 4164-7570Dormitorio adicional 946 946 568 -----------

Campamento Escuela Cámara séptica Ancho Largo Profundidad Profundidaddiurna (L) (m) (m) del líquido (m) total (m)

40 60 3.780 1,22 2,59 1,22 1,5280 120 7.560 1,52 3,35 1,52 1,89120 180 11.430 1,82 4,11 1,52 1,89160 240 15.120 1,82 5,48 1,52 1,89200 300 18.900 2,28 5,48 1,52 1,97240 360 22.680 2,43 6,09 1,52 1,97280 420 26.460 2,59 6,09 1,68 2,13320 480 30.240 2,59 7,11 1,68 2,13