Procesos biológicos en el tratamiento de aguas residuales: fases de crecimiento y técnicas

El tratamiento de aguas residuales es un pilar fundamental en la ingeniería ambiental, y los procesos biológicos juegan un papel crucial en la eliminación de contaminantes. A continuación, se detallan las fases de crecimiento microbiano y diversas técnicas biológicas empleadas en este ámbito.

Fases del Crecimiento Microbiano en Procesos Biológicos

El desarrollo de los microorganismos en un sistema de tratamiento biológico sigue un patrón característico, dividido en varias fases:

• Fase de Latencia (Lag Phase): Durante esta etapa inicial, los organismos se adaptan al nuevo entorno y comienzan a alimentarse de la materia orgánica disponible. No se observa un aumento significativo en el número de microorganismos.
• Fase de Crecimiento Exponencial (Log Growth Phase): Caracterizada por una rápida proliferación de los microorganismos, principalmente a través de la fisión binaria. Hay una abundancia de alimento, lo que permite un crecimiento acelerado de la población.
• Fase Estacionaria (Stationary Phase): En esta fase, la tasa de nacimientos de nuevos microorganismos se iguala a la tasa de muertes. El crecimiento neto de la población se detiene, generalmente debido a la limitación de nutrientes o la acumulación de productos de desecho.
• Fase de Muerte Logarítmica (Log Death Phase): Si las condiciones ambientales se vuelven desfavorables (por ejemplo, escasez severa de nutrientes o toxicidad), la tasa de muerte supera la tasa de nacimiento, resultando en una disminución logarítmica de la población microbiana.

Técnicas de Filtración Biológica en el Tratamiento de Aguas Residuales

Las técnicas de filtración son esenciales para la remoción de sólidos y materia orgánica mediante la acción de microorganismos adheridos a un medio de soporte.

Lechos de Contacto (Contact Beds)

Estos sistemas consisten en un medio donde los microorganismos se adhieren, generalmente rodeado por una estructura de cemento. Los microorganismos atrapan y degradan la materia orgánica presente en el agua residual.

• Ventajas: Operación satisfactoria en la remoción de contaminantes.
• Desventajas: Operación intermitente y requieren una gran cantidad de espacio.

Filtros de Arena Intermedios (Intermediate Sand Filters)

Similares a los lechos de contacto, pero sin la estructura de hormigón. Utilizan un lecho de arena como medio de soporte para el crecimiento microbiano.

• Ventajas: Producen un efluente de gran calidad.
• Desventajas: Requieren mucho espacio para su instalación.

Filtros Percoladores (Trickling Filters)

Son lechos biológicos donde el agua residual se rocía desde la superficie, permitiendo un bajo consumo de energía y mantenimiento. Son una opción eficiente para el tratamiento secundario.

Componentes Clave:

• Sistema de distribución para la aplicación uniforme de aguas residuales.
• Lecho aleatorio lleno de material sólido (medio de soporte).
• Sistemas de recolección de efluente e influente.
• Ventilación adecuada para el suministro de oxígeno.
• Sistema para separar el biofilm del efluente.

El biofilm es una capa aeróbica o anaeróbica donde se unen diferentes microorganismos. La materia orgánica entra en contacto con este biofilm y las bacterias aeróbicas reaccionan, oxidándola. Se ventila para optimizar la actividad biológica y el tiempo de contacto es relativamente corto. Luego, el efluente se deja reposar en un tanque de sedimentación secundaria, típicamente por 6 horas.

Clasificación de los Filtros Percoladores:

• Tradicionales
• De alta tasa

Ventajas:

• Eficaces en la remoción de contaminantes.
• Requieren menos instalaciones complejas.
• Eliminan aproximadamente el 75% de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y el 80% de los sólidos en suspensión.
• Operación de autolimpieza.

Desventajas:

• Necesidad de sedimentación primaria previa.
• A menudo requieren tratamiento adicional.
• Posible generación de olores.

Contactores Biológicos Rotatorios (RBC)

Los RBC consisten en una serie de discos que giran lentamente. Aproximadamente el 40% de su superficie está sumergida en el agua residual, mientras que el 60% restante está expuesto al aire, permitiendo la oxigenación del biofilm.

Proceso:

1. Los microorganismos comienzan a adherirse a la superficie de los discos y crecen hasta formar una capa gruesa de biofilm.
2. Al girar, el biofilm sumergido absorbe la materia orgánica del agua residual y, al emerger, coge oxígeno del aire.
3. Durante la rotación, el agua se mezcla, facilitando el contacto entre los contaminantes y el biofilm.
4. Los microorganismos absorben y degradan la materia orgánica y otros compuestos.
5. El exceso de biofilm se desprende naturalmente de los discos.
6. Los organismos sueltos se mantienen en suspensión y se dirigen a un tanque de sedimentación para su extracción.

Ventajas:

• Sistema simple de operar.
• Bajo consumo energético.
• Larga vida útil de la población biológica adherida.

Desventajas:

• Posible generación de olores.
• Limitada capacidad de expansión para grandes volúmenes.

Lodos Activados (Activated Sludge)

El proceso de lodos activados es una alternativa eficiente a los filtros percoladores. Se basa en la creación de un "lodo" biológico mediante la aireación del agua residual. Una vez sedimentado, parte de este lodo se recircula al tanque de aireación para acelerar el tratamiento.

Este proceso tiene dos propósitos principales:

1. Reducir la materia orgánica: Utiliza una masa biológica activa que, en presencia de oxígeno (O₂), convierte la materia orgánica (MO) en dióxido de carbono (CO₂) y energía.
2. Crear sólidos de biofloculación: Fomenta la formación de flóculos biológicos que sedimentan fácilmente, permitiendo la separación del agua tratada.

Proceso:

1. Tratamiento Preliminar: Eliminación de sólidos sedimentables para prevenir depósitos en el tanque de aireación. Esto incluye cribado, desarenado y/o sedimentación primaria.
2. Tanque de Aireación: El agua residual se mezcla con un 20-30% de lodo activado recirculado. Permanece en este tanque durante 4 a 8 horas con aireación constante. Durante este tiempo, los microorganismos oxidan la materia orgánica (MO) presente en el agua.