TRATAMIENTO SECUNDARIO

El efluente del tratamiento primario todavía contiene 40 a 50 por ciento de los sólidos suspendidos. Para cumplir con las normas oficiales mexicanas se requiere reducir significativamente tanto la fracción orgánica suspendida como la disuelta.

La remoción de compuestos orgánicos se denomina tratamiento secundario:

Procesos físico-químicos Procesos biológicos.

• Procesos FQ emplea operaciones y procesos unitarios tales como:

• Coagulación• Microcribado• Filtración• Oxidación química• Objetivo remover los sólidos y reducir la

DBO a niveles aceptables.

• En el tratamiento biológico los microorganismos usan los compuestos orgánicos presentes en el agua residual como fuente de alimento y los convierten en células biológicas denominadas biomasa.

• La biomasa creada se tiene que eliminar del agua residual para completar el proceso de tratamiento.

FACTORES QUE AFECTAN EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO

• Fuentes de energía y sustrato.

• Procesos enzimáticos.

• Biodegradabilidad y sustrato.

• Inhibición y toxicidad.

• Población microbiana.

FUENTES DE ENERGÍA Y SUSTRATO.

La fuente de donde los microorganismos obtienen su energía y carbono celular proporciona una base para su clasificación.

PROCESOS ENZIMÁTICOS• Las enzimas:• Son proteínas o proteínas combinadas con una molécula orgánica de

bajo peso molecular• Son catalizadores orgánicos.

Para que se produzca la degradación el residuo tiene que entrar encontacto con la parte más externa de la célula bacteriana.El primer paso consiste en el transporte del sustrato al interior de la

célula que se puede producir por tres métodos:• Formación de un complejo enzima sustrato extracelular.• Degradación parcial.• Trasporte directo.

• Las enzimas se caracterizan por:• Su eficiencia en la conversión de un sustrato en productos finales• Su alto grado de especificidad hacia los sustratos. • La siguiente ecuación general representa la reacción enzimática

Patron metabolico generaloizado

Modelo de reaccion de enzimas

• La actividad enzimática se ve afectada por:

• el pH,• la temperatura • la concentración del sustrato.

• Cuando las enzimas son una parte normal de un microorganismo en particular, se les denomina enzimas constitutivas.

• Sin embargo, las células producen enzimas especiales, llamadas enzimas adaptativas, cuando son expuestas a sustancias extrañas e incluso tóxicas.

Requerimiento de energía• Las reacciones bioquímicas de la célula requieren de energía

En la célula se dan procesos metabólicos fundamentales:•Procesos anabólicos: es la síntesis de compuestos celulares.•Procesos catabólicos: liberación de energía para:La síntesis de nuevas célulasEl mantenimiento de otras funciones celulares

Catabolismo endógeno

Cuando una fuente de alimentación externa se interrumpe, los microorganismos usarán alimento almacenado en ellos mismos para mantenerse con energía.

Crecimiento de la biomasa y utilización del sustrato

La relación entre el crecimiento celular y la utilización del sustrato puede ilustrarse con un simple reactor batch, empleando una botella tipo Winkler de las que se usan en el laboratorio para la determinación de la DBO.

Supóngase que se vierte una cantidad de sustrato en la botella, y se inocula con un cultivo mezclado de microorganismos.

S representa la cantidad de sustrato soluble (en miligramos por litro).X representa la cantidad de biomasa (en miligramos por litro).La rapidez de consumo de sustrato es dS/dt.La rapidez de crecimiento de biomasa es dX/dt.

• La curva de biomasa está formada por varios segmentos que justifican un examen minucioso.

• Los microorganismos tienen que aclimatarse primero a su ambiente y al alimento disponible.

• Este periodo de aclimatación es llamado fase de retardo, y varía en extensión dependiendo de la historia de los microorganismos sembrados.

• Si los microorganismos están adaptados a un ambiente y sustrato similares, la fase de retardo será muy breve.

• Una vez que se ha iniciado el crecimiento, continuará rápidamente.

• Las células bacterianas se reproducen por fisión binaria.

• El tiempo de regeneración, o tiempo requerido para que una célula madure y se separe (20 minutos)

• Depende de factores ambientales y del suministro de sustrato.

• Cuando está ocurriendo el máximo crecimiento, el comportamiento es de tipo logarítmico.

• La curva fase logarítmica.• La rapidez de reproducción es exponencial, de

acuerdo con la siguiente ecuación

• donde N es el número de microorganismos producidos a partir de uno individual después de n veces de regeneración.

• El crecimiento máximo no puede continuar indefinidamente.

• El alimento disponible puede agotarse, las condiciones ambientales pueden cambiar .

• Las células que son incapaces de obtener alimento de fuentes externas inician el catabolismo endógeno, es decir, catabolizan el protoplasma almacenado para mantener su energía.

• Otras células mueren, o se rompen liberando su protoplasma, el cual se agrega al

• alimento disponible con el nombre de fase estacionaria y representa el tiempo durante el cual la producción de nuevo material celular es aproximadamente compensado por muerte y respiración endógena.

Mientras que en la fase estacionaria todavía existe algo de reproducción, la respiración endógena y la muerte predominan en el cuarto segmento de la curva, denominado fase endógena.

En esta última fase, la biomasa decrece lentamente, acercándose asintóticamente al eje de las abscisas.

El método más común para la cuantificación de biomasa es la prueba de sólidos suspendidos.

Cuando el agua residual contiene solamente material orgánico, esta prueba debe ser bastante representativa, aunque no hay distinción entre células vivas y muertas.

La prueba de sólidos suspendidos volátiles es una prueba más adecuada cuando la muestra de agua residual contiene una fracción medible de materiales inorgánicos suspendidos.

• Ninguna de las dos pruebas exhibe la diferencia entre sólidos biológicos y partículas orgánicas originalmente presentes en el agua residual.

Durante la fase de crecimiento logarítmico, la biomasa se incrementa de acuerdo con la siguiente expresión

donde:dX/dt = rapidez de crecimiento de la biomasa, mg l -1t -1X = concentración de biomasa, mg/lk = constante de rapidez del crecimiento, t-1

Modelo matemático de Monod (1942).

• Si en un cultivo uno de los requerimientos esenciales para el crecimiento (sustrato y nutrientes), estuviera presente sólo en cantidades limitadas, se agotaría primero y el crecimiento cesaría.

• El modelo asume que la rapidez de asimilación del sustrato, y en consecuencia la rapidez de producción de biomasa, está limitada por la rapidez de reacción de las enzimas involucradas en el compuesto alimenticio que está en menor cantidad con respecto a sus necesidades.

• La ecuación de Monod es

La rapidez de crecimiento de biomasa es una función hiperbólica de la concentración de alimento.

• En la ecuación de Monod , cuando hay exceso de alimento limitante, esto es, S>>Ks, la constante de rapidez de crecimiento k es aproximadamente igual a la rapidez de crecimiento máximo ko, y se dice que el sistema es limitado en enzimas.

• Dado que las enzimas son suministradas por la masa microbiana, se dice que el sistema es esencialmente

limitado en biomasa.

• es una ecuación de primer orden en la biomasa;• la rapidez de crecimiento rx es proporcional a la

primera potencia de la biomasa presente.• Cuando S<<Ks, el sistema es limitado en sustrato, y

en este caso rx = constante

• La constante de rapidez de crecimiento es de orden cero en la biomasa; esto es, la constante de rapidez del crecimiento es independiente de la biomasa presente.

• Cuando S = Ks, la constante de rapidez del crecimiento es la mitad del máximo.

• Sustituyendo la ecuación de Monod en la de rapidez de crecimiento de biomasa se tiene:

• Ecuación de la rapidez de producción de biomasa

Crecimiento celular y utilización del sustrato

• Si todo el sustrato fuera convertido en biomasa, entonces la rapidez de consumo de sustrato sería igual a la rapidez de producción de biomasa en la ecuación .Sin embargo, debido a que el catabolismo convierte parte del sustrato en productos de desecho, la rapidez de consumo de sustrato será mayor que la rapidez de producción de biomasa.

• El factor Y varía dependiendo del patrón metabólico usado en el proceso de conversión.

• Los procesos aerobios son más eficientes que los anaerobios con respecto a la conversión de biomasa y por ello tienen un valor mayor de Y.

• Para reacciones aerobias los valores típicos de Y son de 0.4 a 0.8 kg de biomasa por kilogramo de DBO5.

• Mientras que en las reacciones anaerobias varía de 0.08 a 0.2 kg de biomasa por kilogramo de DBO5.

El decaimiento endógeno también se supone como de primer orden en la concentración de biomasa:

• Sustituyendo esta ecuación en la de rx se tiene:

• El decaimiento endógeno tiene muy poco efecto en la rapidez de crecimiento global en las fases iniciales de la curva de crecimiento. Sin embargo, en la fase estacionaria el decaimiento endógeno es igual a la rapidez de crecimiento y se vuelve predominante en la fase endógena.

BIODEGRADABILIDAD DEL SUSTRATO

-La mayoría de las sustancias orgánicas sintéticas son biodegradables.

-Los compuestos que se han resistido a la biodegradabilidad son llamados recalcitrantes o refractarios. Ejemplo: las dioxinas.

-Los compuestos que su degradación es tan lenta, que resulta ineficaz para el tratamiento, se les conoce como persistentes. Su vida media superior 15 días.

PARÁMETROS RELACIONADOS CON LOS RECALCITRANTES

• Halogenación • Elevado número de halógenos• Gran cantidad de ramificaciones• Baja solubilidad en agua• Diferente carga atómica

Capacidad de los microorganismos de degradar clases específicas de compuestos químicos orgánicos

• Los compuestos alifáticos de cadena lineal se degradan fácilmente.

• Los compuestos aromáticos simples son generalmente degradados por diferentes mecanismos de apertura de anillo.

• Los compuestos aromáticos policlorados se pueden degradar aunque lentamente.

• Las cadenas ramificadas de los alquil o aril sulfonatos son con frecuencia degradados lentamente.

• Las fibras sintéticas entre las más resistentes al ataque microbiano.

ESTUDIOS PARA LA BIODEGRADABILIDAD

• DBO5

• Estudio de tratabilidad en flujo discontinúo o continuo.

INHIBICIÓN Y TOXICIDAD

• Una sustancia orgánica que es biodegradable a una determinada concentración se puede volver persistente a concentraciones más elevadas por que inhibe el crecimiento del cultivo microbiano.

A concentraciones más altas la sustancia puede ser tóxica para el cultivo.

POBLACIÓN MICROBIANALa velocidad de crecimiento y la utilización de sustrato es, superior en

cultivos mixtos enriquecidos que en un cultivo puro aislado de la mezcla.

Para la transformación y mineralización se necesita la actuación en cadena de un conjunto de bacterias donde cada especie desempeña un papel importante.

PARÁMETROS QUE AFECTAN EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO

• Aceptor electrónico.• Humedad• Temperatura• pH• Sólidos disueltos totales.• Disponibilidad de nutrientes• Diseño del reactor.• Fuentes alternativas de carbono.

OXIDACION AEROBIABACTERIAS HETEROTOROFAS PH 6 -9OD 2MG/L