Tema 8- Tratamientos Biológicos

7/23/2019 Tema 8- Tratamientos Biológicos

http://slidepdf.com/reader/full/tema-8-tratamientos-biologicos 1/16

TEMA 8: TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS

El tratamiento biológico o biorremediación se puede definir como una tecnología quese basa en el uso de microorganismos para transformar contaminantes orgánicos en

compestos más simp!es poco contaminantes o, en el mejor de los casos, nocontaminantes.

Aunque habitualmente el término remediación o reparación se utiliza cuando se tratade recuperar entornos contaminados, el término biorremediación tiene un uso más genéricopues abarca la recuperación de zonas contaminadas y los procesos de tratamientodenominados fin de línea!, que son tratamientos en corrientes residuales de procesos defabricación que son potencialmente contaminantes.

"os microorganismos juegan un papel importante en el ciclo del carbono, con#iertenla materia orgánica compleja en $%&, agua y biomasa. "os procesos biológicos puedeneliminar muchas sustancias orgánicas indeseables en suelos, aguas, aire, sedimentos y

residuos.

"enta#as:' (uede utilizarse a gran #ariedad de compuestos orgánicos' "os contaminantes se mineralizan o se transforman en intermedios menos peligrosos' "a transferencia de la contaminación de un medio a otro es mínima' )ecnología poco intrusi#a en el medio' *ajo requerimiento de componentes estructurales y mecánicos' Económicamente #iable' *uena aceptación de la opinión p+blica

Incon$enientes:

' "a biodegradación incompleta puede generar intermedios metabólicos inaceptables, con unpoder contaminante similar o, incluso, superior a la sustancia de partida

' Algunos compuestos son resistentes o inhiben la biodegradación' El tiempo requerido para el tratamiento puede ser difícil de predecir ' eguimiento y control de la -elocidad o etensión del proceso es difícil

"a %io&egra&aci'n de un contaminante &epen&e de /' )ipo y cantidad de microorganismos presentes' $apacidad de los microorganismos de metabolizar los contaminantes' $inética asociada a las transformaciones bioquímicas

"a acti#idad de los microorganismos condiciona la #elocidad y la etensión de la

biodegradación.

"os microorganismos pueden ser/' A(TÓCTONOS.0 (ueden ser a1adidos a sistema de tratamiento para mejorar la

degradación 2bioaumentación3' E)ÓGENOS*0 (ueden estar modificados genéticamente.

"a #elocidad con que tiene lugar la biodegradación es un factor importante porqueafecta a la duración del proceso de tratamiento y por tanto a sus costes.



4E)A*%"54% 45$6%*5A7%El metabolismo bacteriano se clasifica seg+n/' el origen del carbono.' la fuente de energía.' los donadores de electrones/ "os organismos que respiran usan compuestos químicos

como fuente de energía, tomando electrones del sustrato reducido y transfiriéndolos a unreceptor terminal de electrones en una reacción redo. Esta reacción desprende energíaque se puede utilizar para sintetizar A)( y así mantener acti#o el metabolismo.$lasificación seg+n el metabolismo/

+ Seg,n !a fente &e car%ono:8 9E)E6:)6%;A/ usan compuestos orgánicos

8 A<):)6%;A/ el carbono celular se obtiene mediante fijación de $%&

+ Seg,n !a fente &e energ-a:8 ;%):)6%;A 2;otosíntesis38 =<545%)6%;A> AE6%*5A.0 El aceptor de electrones es el %& .> A7AE6%*5A 2?esnifrificación y metanogénesis3.0 "os aceptores de electrones son

distintos del oígeno. 2nitratos, sulfatos, $%& 3+ Seg,n e! &ona&or &e e!ectrones:8 "5)%)6%;A 2 9& , 79@ , ;e2553, especies metálicas reducidas, especies reducidas del

azufre38 %6A7%)6%;A.



"a degradación de un compuesto orgánico por medio de microorganismospuede esquematizarse como/

' 6EA$$5%7E $A)A*:"5$A0 (roporcionan los bloques constructi#os necesarios para lasíntesis de nue#as células, energía y donadores de electrones.

Sustrato – e → aceptor de e (respiración)

' 6EA$$5%7E A7A*:"5$A.0 A partir de estos componentes y con el aporte necesario deenergía sintetizan los constituyentes celulares/ proteínas, lípidos, polisacáridos, ácidosnucleicos, aminoácidos y ácidos grasos.

E;E$)% ?E "A $%7$E7)6A$5:7

"a concentración de diferentes compuestos en aguas residuales influye en elproceso de degradación.

0 5nhibición.0 <na sustancia biodegradable puede inhibir el crecimiento bacteriano a partir decierta concentración, haciéndose persistente.

0 )oicidad.0 A partir de cierta concentración la sustancia se hace tóica para losmicroorganismos haciendo in#iable su eliminación biológica.

0 "os nutrientes inorgánicos, sales de nitrógeno y fósforo principalmente, son necesarios parala síntesis celular pero a concentraciones altas pueden ser tóicas para los

microorganismos.

$%4<75?A?E 45$6%*5A7A

El tratamiento biológico puede suponer interacciones complejas de diferentescomunidades de microorganismos. "as #elocidades de crecimiento y utilización desubstratos frecuentemente son mayores cuando participan comunidades demicroorganismos que cuando el consumo de sustrato se debe a una sola especie demicroorganismos.

(uede ser necesaria la presencia de un consorcio micro%iano para la degradaciónde muchos compuestos orgánicos.

' $onsorcio 4icrobiano.0 Asociación natural de dos o más poblaciones microbianas, dediferentes especies, que act+an conjuntamente como una comunidad en un sistemacomplejo, donde todos se benefician de las acti#idades de los demás. "a asociación reflejaque el crecimiento y el flujo cíclico de nutrientes se conduce más efecti#a y eficientementeque en poblaciones indi#iduales.

En el consorcio cada especie act+a de forma secuencial en una cadena o unacompleja red de etapas de transformación y mineralización.

$uando los contaminantes orgánicos se eponen a microorganismos deorigen natural, estos #an incrementando su capacidad para degradar o usar como

sustratos los contaminantes. El fenómeno se denomina a&aptaci'n*



' Adaptación.0 "os microorganismos tienen la capacidad de incrementar su capacidad dedegradar un determinado sustrato.

"as cepas adaptadas pueden ser el resultado de una selección de las cepasautóctonas pero también pueden ser producto de mutaciones o transferencia genética.

$57B)5$A 45$6%*5A7A "a forma de degradar residuos se puede determinar a partir de la #elocidad con laque el microorganismo los metaboliza. Esa #elocidad, a su #ez, está relacionada con la#elocidad de crecimiento del microorganismo.

En la zona de deceleración lo que ocurre es que no hay sustrato y por tanto no haycrecimiento. A #eces, tenemos sustrato pero no es suficiente para que la célula crezca.



-E"%$5?A? ?E $6E$545E7)% $E"<"A6 C $%7<4% ?E" <)6A)% "545)A7)E

-E"%$5?A? ?E ?E6A?A$5:7 ?E <)6A)%

Ren&imiento &e pro&cci'n &e %iomasa ./0: Es la razón entre la #elocidad de

crecimiento microbiano y la #elocidad de consumo de sustrato y determina la #elocidad a laque se produce la degradación del sustrato.



En un sistema biológico además de la proliferación de células es necesario unaporte de energía adicional para su mantenimiento 2catabolismo3/

donde b D 2Ft3 es el coeficiente de mantenimiento.

A partir de estas epresiones podemos determinar la cantidad mínima de sustrato,que será aquella en la que la formación de nue#a biomasa igualará las pérdidas por mantenimiento.

$%7$E7)6A$5:7 4G754A ?E <)6A)%

"os #alores típicos de min suele estar entre 2 H.0 mgF"3.$uando las concentraciones de contaminantes no eceden el min es necesario

inducir el cometabolismo o a1adir un sustrato primario para que la degradación tenga lugar

hasta los ni#eles eigidos por la normati#a legal. Al estudiar el tratamiento de compuestos peligrosos se deben tener en cuenta losefectos de inhibición de algunos residuos, la naturaleza competiti#a de algunas mezclas decompuestos residuales y la dilución de los sustratos.

;A$)%6E =<E A;E$)A7 A" (6%$E% ?E ?E6A?A$5:7

+ Aceptores &e e!ectrones*0 (rocesos Aerobios.0 (rocesos Anaerobios.

+ Temperatra*+ p1*+ 2isponi%i!i&a& &e Ntrientes*



+ S'!i&os 2ise!tos*+ 3entes A!ternati$as &e Car%ono*

PROCESOS AEROBIOS.

"os microorganismos utilizan oígeno como aceptor final de los electronesprocedentes de los compuestos orgánicos oidados. $uando se alcanza la mineralizacióncompleta, el oígeno se reduce para formar agua y el carbonato orgánico se transforma endióido de carbono. "a cantidad de oígeno necesaria en la respiración se puede calcular por estequiometría.

"a solubilidad del oígeno en agua es del orden de I mgF" a temperatura ambiente.Este #alor tan bajo justifica que, incluso para peque1as concentraciones de residuosorgánicos, sea necesario proporcionar oígeno de manera continua. En la práctica, paraasegurar su disponibilidad, se intenta mantener una concentración mínima de &m mgF" deoígeno disuelto en agua.

PROCESOS ANAEROBIOS.

"os procesos anaerobios son aquellos tratamientos que se producen en ausencia deoígeno.

Es una definición simple de un complejo sistema de reacciones m+ltiples en el queinicialmente los compuestos orgánicos se hidrolizan para generar ácidos orgánicos que,posteriormente, dan lugar a ácido acético y, finalmente, generan $% &, metano e hidrógeno.

En este caso el aceptor final de electrones durante la respiración no es el oígenosino compuestos que contienen oígeno. (or orden de preferencia los aceptores deelectrones en procesos anaerobios son los nitratos que se reducen a nitrógeno molecular,los sulfatos que se reducen a sulfuro de hidrógeno y el dióido de carbono se reduce ametano.

"a degradación anaerobia tiene dos &es$enta#as fundamentales respectos a laaerobia/

0 (roceso más lento.0 "as concentraciones finales de residuos suelen ser más ele#adas.

in embargo presenta $enta#as importantes/0 7o necesitar aporte de oígeno, lo que elimina el coste de la aireación.0 (roduce menos biomasa porque transforma parte del residuo en metano, lo que facilita la

gestión de la biomasa generada y, e#entualmente, el metano se puede utilizar como fuente

de energía.$uando se trata de degradar compuestos orgánicos con alto grado de oidación

puede ser aconsejable utilizar procesos anaerobios.

TEMPERATURA.

"a temperatura es un parámetro fundamental en el proceso de degradación. "aacti#idad celular, y más concretamente los procesos enzimáticos, son etraordinariamentesensibles a la temperatura. El inter#alo óptimo de temperaturas suele ser estrecho, de#einte grados o menos. Al &isminir !a temperatra por &e%a#o &e ese ni$e! 'ptimo

&ismin4e &rásticamente !a acti$i&a& en5imática 4, por tanto, !a $e!oci&a& &e! proceso*



Temperatras más e!e$a&as 6e e! inter$a!o 'ptimo producen un &escenso %rsco &e!a acti$i&a& por mo&ificaciones en !a estrctra f-sica &e !a mem%rana ce!!ar .

Atendiendo al comportamiento en función de la temperatura, los microorganismos sepueden clasificar en tres grupos/

0 4icroorganismos psicrófilos. (ueden mantener su acti#idad entre 0& y @HJ$, el óptimo entre

& y I.0 4icroorganismos mesófilos. "a mayoría de los microorganismos tiene su acti#idad entre &H

y KLJ$.0 4icroorganismos termófilos. $apaces de mantenerse acti#os entre KL y MLJ$ con óptimos

de acti#idades entre LL y MLJ$.

PH.

"a acti#idad enzimática y, por tanto, la #elocidad metabólica tienen una fuertedependencia del p9. El p9 óptimo suele estar habitualmente alrededor de M, con un posibleinter#alo entre N y I. "a muerte celular suele producirse a p9 inferiores a K o superiores a O.in embargo algunos microorganismos pueden sobre#i#ir a p9 etremos.

"a acti#idad microbiana puede alterar el p9, por ejemplo cuando se degradancompuestos orgánicos clorados puede generarse ácido clorhídrico.

SÓLIDOS DISUELTOS.

"a concentración de sólidos disueltos en el medio acuoso puede afectar altratamiento biológico. i la concentración es demasiado alta la presión osmótica afecta altransporte de compuestos orgánicos a tra#és de la membrana celularP y en casos etremosse puede llegar incluso a la muerte celular. "a eperiencia dice que los sólidos disueltostotales no deben eceder los KH gF".

NUTRIENTES.

"a masa celular contiene carbono como elemento fundamental y muchos otroselementos denominados nutrientes. El fósforo y el nitrógeno, junto al carbono, sonnecesarios en mayor cantidad que cualquier otro elemento y por ello se denominan

macrontrientes. "a falta de estos nutrientes puede reducir el crecimiento y reproducciónde los microorganismos. ;recuentemente el nitrógeno y el fósforo no están disponibles encantidad suficiente en los residuos peligrosos y deben ser a1adidos, generalmente comoamoniaco y ortofosfato.

<na relación aproimada entre la cantidad de carbono orgánico total 2)%$3,nitrógeno y fósforo es/ TOC: N:7 9:;:<. Estas proporciones están basadas en lo quesuele ser la composición elemental de estos compuestos es un microorganismo genérico.(ara una mayor seguridad, las necesidades de nutrientes deben ser determinadas paracada tipo de residuo mediante una prueba de laboratorio.

"a reproducción y el crecimiento celular requieren cantidades peque1as de otros

elementos como potasio= ca!cio= a5fre= magnesio o >ierro* (ara que pueda producirse elpaso de estos compuestos al citoplasma, a tra#és de la pared celular, deben tener una



concentraci'n m-nima= por encima &e < ppm, en el sustrato. Estos compuestos sedenominan microntrientes*

"os microorganismos pueden necesitar también compuestos en concentracionesinferiores a < ppm. on los denominados ntrientes tra5a, entre los cuales se encuentranel n-6e!= co%re= 5inc, #itaminas, etc.

$"A5;5$A$5:7 ?E "% 5)E4A ?E )6A)A45E7)% *5%":5$%.

"os métodos de tratamiento biológico de residuos peligrosos pueden clasificarseatendiendo a diferentes criterios.

' eg+n la presencia de oígeno/0 istemas aerobios.0 istemas anaerobios.

' eg+n las forma en la que se encuentra el microorganismo en el recinto donde se producela degradación/

0 istemas con microorganismos en suspensión.0 istemas con microorganismos inmo#ilizados sobre un soporte sólido.

' eg+n el régimen de flujo/0 istemas discontinuos.0 istemas de flujo continuo.

*5%66EA$)%6E 2$B"<"A %(%6)A?A3



' Biodisco (C.B.R).- Estos sistemas rotatorios consisten en discos #erticales montadossobre un eje que pasa a tra#és de sus centros y que sobresalen ligeramente por encima dellíquido que se somete a tratamiento.

"os discos suelen estar laminados en poliestireno o polietileno, separados entre sí ycon diámetros #ariables que pueden llegar hasta los @m. El n+mero de discos suele ser muyele#ado por lo que la superficie disponible para inmo#ilizar los microorganismos es grande.El mo#imiento rotatorio de los discos permite la aireación en la parte no sumergida del discoque está en contacto con el aire.

● Filto P!col"do (l!c#o $i%o $l&%o 'o '!clo"ci).- "a inmo#ilización de losmicroorganismos suele producirse en peque1as partículas de arena, basalto y otros mediosinertes.

"a corriente a tratar se introduce por la parte inferior del lecho y asciende a sutra#és. El aire también se introduce por la parte inferior. Ambos fluidos son los encargadosde mantener el sólido en suspensión. El ele#ado grado de la mezcla que se producepermite considerar que el sólido se mantiene en mezcla completa.





*5%66EA$)%6E A7AE6%*5%

"os tratamientos anaerobios de compuestos peligrosos se pueden lle#ar a cabo enequipos similares a los utilizados para corrientes no peligrosas con ele#ada carga orgánica. Así, pueden usarse tan6es agita&os con#encionales con tiempos de retención hidráulicaque pueden llegar a ? &-as.

Estos equipos también suelen disponer de un sistema de recirc!aci'n &e !osmicroorganismos que abandonan el biorreactor.

<na generación posterior de reactores para estos procesos son los reactores demanto &e !o&o de flujo ascendente. En ellos, el agua a tratar circula en sentido ascendentey el lodo está distribuido en su interior con concentraciones más ele#adas a medida que sedesciende en el mismo. En la parte superior del reactor los lodos sedimentan, por lo quepueden considerarse como reactores de recirculación interna de lodos. "a carga orgánicaque admiten estos reactores es muy superior a los tanques con#encionales y los tiempos deretención hidráulica se miden en horas en lugar de días.

Entre los reactores con microorganismos inmo#ilizados destacan los fi!trosanaero%ios y los !ec>os f!i&i5a&os.

En los filtros anaerobios el líquido circula en sentido ascendente de manera que elrelleno está totalmente sumergido en el agua residualP así se e#ita la presencia de oígenolibre en el lecho. 9abitualmente no requiere una recirculación de biomasa pues las pérdidasen la corriente de salida son muy bajas.

"os lechos fluidizados admiten una concentración de microorganismos muy superior,

unos tiempos de retención hidráulica un orden de magnitud inferior y pueden operar con



una carga orgánica hasta tres #eces superior. )ambién alcanzan una con#ersión de ácidosgrasos a metano muy ele#ada.

9asta el momento los sistemas anaerobios se han mostrado eficaces en eltratamiento de fenoles, cresoles y otros compuestos asociados al proceso de gasificaciónde carbón. (arece que eisten resultados muy prometedores para degradar compuestos

halogenados que son recalcitrantes a la acción de los microorganismos aerobios comoalgunos hidrocarburos clorados.

E)<?5% ?E -5A*5"5?A?

El primer paso del estudio de #iabilidad es conocer !os componentes &e! resi&oque se pretende tratar. A #eces las características del residuo son conocidas, se dispone deinformación tanto de propiedades físicas como de concentraciones de los distintoscontaminantesP en otras ocasiones, como por ejemplo los lii#iados de #ertederos, esnecesario un análisis de laboratorio para determinar el tipo de concentración de los

contaminantes.<na #ez e#aluado el residuo, se deben de realizar pruebas sencillas utilizando

ensa4os &e %io&egra&a%i!i&a& para determinar el grado de dificultad de la degradación. ilos resultados son fa#orables, la siguiente fase es realizar ensayos de %iorreactores aescala de !a%oratorio 2entre *; 4 ;L3. El o%#eti$o fundamental de este estudio esasegrar !a esta%i!i&a& &e! sistema pro%an&o tres o cuatro edades diferentes de loslodos, #arias configraciones &e operaci'n y &iferentes concentraciones de la corrientea tratar.

"as pruebas a escala de laboratorio deben continuarse con pruebas a esca!a pi!oto2unos < L3 donde puedan perfilarse con mayor precisión las $aria%!es &e operaci'n y

donde la inf!encia &e! am%iente f-sico será más parecida a la operación a escala real. Enesta escala es posible estimar parámetros &e &ise@o que e#iten una gran #ariación de losrendimientos del tratamiento cuando éste se lle#e a cabo a escala real.(%5*5"5?A? ?E *5%?E6A?A$5:7.

"a biodegradabilidad depende de la concentración y tipo de los compuestos adegradar, de la sinergia con posibles reacciones químicas, de la disponibilidad de losnutrientes, de las condiciones de reacción, del tiempo de retención de sólidos en elbiorreactor, del modo de operación, de la aclimatación de los microorganismos in#olucrados,etc.



?E(<6A$5:7 ?E "A A<A ?E ?6E7AQE ?E "A 457A ?E <";<6%

eneran aguas ácidas de minas 2efluentes líquidos3. Es un gran problemacontaminante.

$uando se eplotan los sulfuros minerales ocurren reacciones de oidación conoígeno y agua.

;e& R MF& %& R 9&O → Fe@R R &%K &0 R &9R

?e la pirita se libera ;e&R y ácido sulf+rico, los microorganismos catalizan la reacciónpara que sea más rápida.

"os microorganismos pasan de ;e&R a ;e@R. Además de ser ácidos, las aguas se#uel#en rojas por el ;e@R. Además el ;e@R se comienza a hidrolizar y comienza a aparecer esos lodos 29idróido férrico3. Además el ;e@R es un agente lii#iante capaz de atacar alsulfuro y regenerarse.

"a solución es hacer esto de manera controlada. ?e manera que se hace labioidación controlada del líquido neutralizado con cal, después se hace una separaciónsólido0líquido/ El ;e&R no se precipita ya que se necesita un p9 muy alto, por lo que seprecipita el ;e@R que es más fácil y además deja que se puedan #alorar los demás residuosporque el p9 es menor.

0 (ropuesta para depurar los lodos. u propuesta es #alorizar el Sn.

(rimero se oida el ;e&R y se pasa a ;e@R, se precipita éste y después el Sn.



El lodo #ol#ería a la corta pero #alorizaríamos el Sn.

%tra utilización es para el apro#echamiento del biogas. (ara que el biogas sea un productohay que quitarle .

*5%<";<6A$5:7 ?E" *5%A.



(ara ello el biogas se hace pasar por una columna y en contracorriente se entra unasal de ;e@R de forma que se de H 2que precipita en el caudal3.

El ;e&R se recoge y pasa al filtro. El gas limpio se recoge por arriba.9&R;e@R 00T ;e&R RH , se filtra lo que sale de productos.

Al obtener el ;e&R este se hace pasar por un biorreactor que regenera el ;e@Rhaciendo un gasto de reacti#o nulo. 9ay un paso intermedio de carbón acti#o que elimina la

materia.

*5%U5?A$5:7 E7 $%7)57<% ?E )5%A"E.

e utiliza un reactor de lecho fijo inundado con bacterias. El sistema es muy establey eficaz para la eliminación de tiosales.

%tra aplicación es la eliminación de )5%A"E.

E"5457A$5:7 ?E )5%A"E

"as tiosales se producen en circuitos de flotacion y molienda. En las plantas deflotación hay que purgarlas. Esto lo que hace es mandarla a una balsa donde se purifica.

Documents

Tema 8- Tratamientos Biológicos