TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS DE AGUAS RESIDUALES

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biol

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les

José Ferrer PoloAurora Seco TorrecillasÁngel Robles Martínez

UPVUPV

José Ferrer PoloCatedrático de Tecnologías del Medio Am-biente, miembro del Departamento de In-geniería Hidráulica y Medio Ambiente y del Instituto de Ingeniería del Agua y del Medio Ambiente. La trayectoria científica ha esta-do ligada al estudio del comportamiento de la calidad del agua en el medio ambiente y al tratamiento de aguas residuales. Dentro de este campo ha trabajado tanto en pro-yectos de investigación competitiva, 60 pro-yectos, como en proyectos de transferencia a empresas, 63 proyectos, Como resultado de las actividades anteriores ha dirigido 30 Tesis Doctorales, ha publicado 154 artículos científicos, presentado 150 comunicaciones orales y/o posters a congresos científicos y dispone de 4 patentes.

Aurora Seco TorrecillasCatedrática de Tecnologías del Medio Ambiente del Departamento de Ingeniería Química de la Universitat de València. Su trabajo se ha centrado principalmente en la investigación y en el desarrollo de tec-nologías y su transferencia en el campo del tratamiento de aguas residuales, siempre bajo la perspectiva de la aplicación de los principios de la economía circular. Ha participado tanto en proyectos de investi-gación competitiva (20 proyectos), como de transferencia (82 proyectos). Ha dirigido 27 Tesis Doctorales, publicado 155 artículos científicos, presentado 173 comunicaciones orales y/o posters a congresos científicos y participado en el desarrollo de 7 patentes y modelos de utilidad.

Ángel Robles MartínezProfesor del Departamento de Ingeniería Química de la Universitat de València. Su trabajo se ha centrado principalmente en la modelización y la optimización de nuevas tecnologías y estrategias de tratamiento de aguas residuales. El desarrollo de estas actividades ha dado lugar a diversas publi-caciones científicas en revistas científicas indexadas (30) y otras publicaciones cientí-ficas y divulgativas de distinta índole (18). Ha participado en contribuciones a jornadas y congresos nacionales e internacionales (70) y en diferentes proyectos y contratos de investigación, tanto con organismos pú-blicos como con empresas (20).

Tratamientos biológicosde aguas residuales3ª edición

José Ferrer Polo Aurora Seco Torrecillas Ángel Robles Martínez

El presente libro tiene como objetivo general conocer los fundamentos y la aplicación de las tecnologías disponibles para el tratamiento bilógico de las aguas residuales. Este libro pretende dotar a estudiantes, profesionales o investigadores de los conocimientos y habilidades necesarias para el pre-diseño de diferentes sistemas de tratamiento bilógico de las aguas residuales y de los fangos producidos en el proceso.

Para ello, se profundiza en el estudio de los procesos biológicos, cuyo uso generalizado en la depuración de aguas residuales urbanas y gran número de industriales, por una parte, y su gran complejidad, por otra, justifica la importancia de un estudio detallado de los mismos. Asimismo, se tratan aspectos fundamentales referentes a la microbiología de los procesos, la cinética y la estequiometría de las reacciones bioquímicas, tipos de procesos, esquemas de proceso, aplicabilidad, etc. Además, se aborda la problemática de la producción de fangos, así como el diseño de los distintos métodos de tratamiento existentes.

Tratamientos biológicosde aguas residuales3ª edición

Colección Académica

Colección de carácter multidisciplinar, orientada a los estudiantes y cuya finalidad es apoyar la gestión docente conforme a los planes de estudio de las titulaciones universitarias impartidas en la Universitat Politècnica de València, constituyendo bibliografía recomendada para el apren-dizaje de una asignatura. Los títulos de la colección se clasifican en distintas series según el área de conocimiento y la mayoría de ellos están disponibles tanto en formato papel como electrónico.

Todos los títulos de la colección están evaluados por el departamento de la Uni-versitat Politècnica de València en el que se inscribe la materia, atendiendo a la oportunidad de la obra para el estudiante y la adecuación de la metodología empleada en su didáctica.

Para conocer más información sobre la colección, los títulos que la componen y cómo adquirirlos puede visitar la web http://www.lalibreria.upv.es

Tratamientos biológicos de aguas residuales

José Ferrer Polo Aurora Seco TorrecillasÁngel Robles Martínez

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3ª edición

Colección Académica

Para referenciar esta publicación utilice la siguiente cita: Ferrer Polo, José; Seco Torrecillas, Aurora; Robles Martínez, Ángel (2018).Tratamientos biológicos de aguas residuales. Valencia: Editorial Universitat Politècnica de València

© José Ferrer Polo Aurora Seco Torrecillas Ángel Robles Martínez

© 2018, Editorial Universitat Politècnica de València venta: www.lalibreria.upv.es / Ref.: 0358_03_03_01

ISBN: 978-84-9048-640-5 (versión impresa)ISBN: 978-84-9048-641-2 (versión electrónica)

La Editorial UPV autoriza la reproducción, traducción y difusión parcial de la presente publicación con fines científicos, educativos y de investigación que no sean comerciales ni de lucro, siempre que se identifique y se reconozca debidamente a la Editorial UPV, la publicación y los autores. La autorización para reproducir, difundir o traducir el presente estudio, o compilar o crear obras derivadas del mismo en cualquier forma, con fines comerciales/lucrativos o sin ánimo de lucro, deberá solicitarse por escrito al correo [email protected].

Impreso en España

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Contenidos Capítulo 1. Métodos biológicos de tratamiento de aguas residuales ........................................ 1

1.1. Introducción ........................................................................................................ 1 1.2. Organismos más importantes que intervienen en los sistemas de

tratamientobiológico ........................................................................................... 2

1.2.1. Introducción ............................................................................................. 2

1.2.2. Bacterias .................................................................................................. 3

1.2.3. Protozoos ................................................................................................. 4

1.2.4. Hongos .................................................................................................... 6

1.2.5. Algas ....................................................................................................... 6

1.2.6. Rotíferos .................................................................................................. 7

1.2.7. Nemátodo ................................................................................................ 7

1.3. Procesos que tienen lugar en los tratamientos biológicos ...................................... 7

1.3.1. Organismos heterótrofos ........................................................................... 9

1.3.2. Organismos autótrofos ............................................................................ 10

1.4. Cinética de las reacciones de los organismos heterótrofos .................................. 11

1.4.1. Parámetros y variables ............................................................................ 12

1.4.2. Ecuaciones cinéticas ............................................................................... 14

1.4.3. Valores medios de los parámetros cinéticos............................................. 16

1.4.4. Efecto de la temperatura ......................................................................... 17 Capítulo 2. Procesos biológicos de cultivo en suspensión ..................................................... 19

2.1. Introducción ...................................................................................................... 19

2.2. Tipos de reactores en los procesos biológicos de cultivo en suspensión .............. 20

2.3. Balances de sustrato en los procesos biológicos de cultivo en suspensión ........... 21

2.4. Crecimiento celular ........................................................................................... 23

2.5. Fangos activados ............................................................................................... 24 2.5.1. Estructura y dinámica de las poblaciones en los sistemas de fangos activados ......................................................................................25

2.5.2. Factores y parámetros fundamentales del proceso de fangos activados ..... 32


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2.5.3. Reactores de mezcla completa ................................................................. 35

2.5.4. Reactores de flujo en pistón .................................................................... 43

2.5.5. Nitrificación en cultivos en suspensión .................................................... 45 2.5.6. Cálculo del proceso conjunto de eliminación de materia orgánica y nitrificación ............................................................................ 50

2.5.7. Oxidación total ....................................................................................... 56

2.5.8. Canales de oxidación .............................................................................. 56 2.5.9. Valores medios de los parámetros de operación en procesos de fangos activados ................................................................................ 57

2.5.10. Sistema Adsorción-Bioxidación (A+B) ................................................... 58

2.5.11. Reactores de membranas ......................................................................... 59

2.5.12. Lagunas aireadas .................................................................................... 63

2.6. Desnitrificación en cultivos en suspensión ......................................................... 66

2.6.1. Reacciones de la desnitrificación ............................................................. 66

2.6.2. Análisis del proceso de desnitrificación ................................................... 67

2.6.3. Nitrificación y desnitrificación simultáneas ............................................. 69 2.7. Eliminación de nitrógeno en corrientes con elevadas concentraciones

de nitrógeno amoniacal ...................................................................................... 70

2.7.1. Proceso BABE (Bio-augmentation batch enhanced) ................................ 70 2.7.2. Proceso SHARON (Single reactor High activity Ammonia Removal OverNitrite) ............................................................................................72

2.7.3. Proceso SHARON-ANAMMOX ............................................................ 73

2.8. Eliminación biológica de fósforo ....................................................................... 73

2.8.1. Reacciones de la eliminación biológica de fósforo ................................... 75

2.8.2. Ecuaciones cinéticas del proceso de eliminación biológica de fósforo ...... 75

2.8.3. Influencia de los nitratos ......................................................................... 78

2.8.4. Capacidad de almacenamiento de fósforo ................................................ 78 2.9. Plantas de tratamiento de aguas residuales para la eliminación

biológica de nutrientes ...................................................................................... 79

2.9.1. Eliminación biológica de nitrógeno ......................................................... 80

2.9.2. Eliminación de fósforo ............................................................................ 84

2.9.3. Eliminación del fósforo por precipitación química ................................... 84

Contenidos

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2.9.4. Eliminación biológica de fósforo ............................................................ 84

2.9.5. Eliminación conjunta de nitrógeno y fósforo ........................................... 85

2.10. Digestión aerobia de fangos ............................................................................... 87

2.10.1. Criterios de diseño .................................................................................. 88

2.10.2. Espesamiento ......................................................................................... 88

2.10.3. Diseño del tratamiento ............................................................................ 88

2.10.4. Temperatura y alcalinidad....................................................................... 91

2.10.5. Métodos operativos ................................................................................ 91

2.10.6. Calidad del sobrenadante ........................................................................ 93

2.10.7. Características del tanque de digestión .................................................... 93

2.10.8. Sistemas de aireación ............................................................................. 93

2.11. Tratamientos anaerobios de cultivo en suspensión .............................................. 94

2.11.1. Reacciones básicas de los procesos anaerobios ........................................ 95

2.11.2. Análisis de los procesos anaerobios de cultivo en suspensión .................. 96

2.11.3. Coeficientes de producción de biomasa en los procesos anaerobios ......... 99

2.11.4. Coeficientes cinéticos en los procesos anaerobios ................................... 99

2.11.5. Necesidades de nutrientes y alcalinidad en los procesos anaerobios ....... 100 2.11.6. Influencia de distintas variables ambientales sobre los procesos

anaerobios...........................................................................................100

2.11.7. Tipos de reactores anaerobios ............................................................... 102

2.11.8. Sistemas de membranas en el tratamiento anaerobio de aguas residuales.................................................................................................. 105

2.12. Digestión anaerobia de fangos ......................................................................... 108

2.12.1. Espesado previo ................................................................................... 109

2.12.2. Diseño del tratamiento .......................................................................... 109

2.12.3. Temperatura ......................................................................................... 115

2.12.4. Calidad del sobrenadante ...................................................................... 115

2.12.5. Diseño de los digestores ....................................................................... 115

2.12.6. Gas producido ...................................................................................... 121

2.12.7. Recogida y almacenamiento del gas ...................................................... 122

2.12.8. El gas como fuente de energía............................................................... 122

2.12.9. Control del pH y la alcalinidad ............................................................. 123


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2.13. Lagunaje ......................................................................................................... 124

2.13.1. Tipos de lagunas ................................................................................... 125

2.13.2. Mecanismos y factores que intervienen en el proceso de tratamiento ...... 126

2.13.3. Tipos de asociaciones de lagunas de estabilización ................................ 129

2.13.4. Criterios de dimensionamiento de las lagunas de estabilización ............. 130

2.13.5. Ventajas y desventajas del lagunaje ....................................................... 132

2.13.6. Consideraciones sobre el diseño ............................................................ 133 Capítulo 3. Procesos biológicos de soporte sólido .............................................................. 135

3.1. Introducción .................................................................................................... 135

3.2. Filtros percoladores ......................................................................................... 136

3.2.1. Factores que afectan al diseño y rendimiento ......................................... 139

3.3. Contactores biológicos rotativos (RBC) ........................................................... 145

3.3.1. Descripción del proceso ........................................................................ 147

3.4. Modelo cinético del cultivo fijo aerobio ........................................................... 149

3.4.1. Contactores biológicos rotatorios (RBC) ............................................... 150

3.4.2. Filtros percoladores .............................................................................. 156

3.5. Criterios de diseño ........................................................................................... 157

3.5.1. Filtros percoladores .............................................................................. 157

3.5.2. Contactores biológicos rotatorios (RBC) ............................................... 157

3.6. Lechos de turbas .............................................................................................. 161

3.6.1. Consideraciones técnicas ...................................................................... 162

3.6.2. Criterios de diseño ................................................................................ 163

3.7. Filtros verdes ................................................................................................... 163

3.8. Procesos anaerobios de biomasa fija ................................................................ 164

3.8.1. El filtro anaerobio ................................................................................. 165

3.8.2. Lecho de lodos o reactor UASB ............................................................ 166

3.8.3. Lecho fluidizado o reactor EGSB .......................................................... 167

3.8.4. Sistemas mixtos .................................................................................... 168

2.12.10. Sustancias tóxicas.............................................................................. 125

Bibliografía ....................................................................................................................... 171

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Capítulo 1 Métodos biológicos de tratamiento de aguas

residuales

1.1. Introducción Los tratamientos biológicos tuvieron en un principio como objeto la eliminación de la materia orgánica de las aguas residuales. Posteriormente se les ha ido dando otros usos como son: la oxidación del nitrógeno amoniacal (nitrificación), la eliminación del nitró-geno de las aguas residuales mediante la conversión de las formas oxidadas en N2 (des-nitrificación) o la eliminación de fósforo.

En todo este tipo de procesos se utilizan reacciones asociadas a los organismos vivos. Los microorganismos crecen utilizando los contaminantes del agua como fuente de car-bono y/o como fuente de energía, convirtiéndolos en nuevos microorganismos (bio-masa), dióxido de carbono y otros compuestos inocuos. La fuente de carbono y/o energía se denomina sustrato, por lo que en estos tratamientos la eliminación de contaminantes se conoce como consumo de sustrato. Los procesos de crecimiento de biomasa y de con-sumo de sustrato están totalmente relacionados, denominándose rendimiento a la canti-dad de biomasa generada por unidad de sustrato eliminado.

Los tratamientos biológicos se prestan a diversas clasificaciones. Cabe distinguir entre dos tipos claramente diferenciados:

1. Procesos biológicos de cultivo en suspensión.2. Procesos biológicos de soporte sólido.


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En todos estos procesos es preciso retener en el sistema la biomasa creada con objeto de que se produzca el proceso. En los de cultivo en suspensión se suele recurrir a una de-cantación y recirculación de la biomasa, mientras que en los de soporte sólido la reten-ción de la misma queda asegurada por las características del propio proceso.

Los sistemas más característicos de los primeros son los fangos activados, las lagunas aireadas, y el lagunaje. Entre los segundos se encuentran los filtros percoladores, los biodiscos y los lechos de turba.

1.2. Organismos más importantes que intervienen en los sistemas de tra-tamiento biológico

1.2.1. Introducción Los organismos se pueden clasificar desde diversos puntos de vista. Desde el punto de vista de la depuración de aguas, la clasificación trófica es de gran importancia.

Los microorganismos necesitan para su crecimiento: carbono, nutrientes inorgánicos, energía y poder reductor. Los microorganismos obtienen la energía y el poder reductor de las reacciones de oxidación del sustrato. Así, cuanto mayor es la DQO del sustrato, mayor es la energía y el poder reductor (electrones) que es capaz de suministrar un sus-trato.

Las reacciones de oxidación del sustrato, por una parte, suministran electrones a los “transportadores de electrones” transformando las formas oxidadas (NAD, nicotinamín-adenín-dinucleótido) en las correspondientes formas reducidas (NADH2). Estas formas reducidas aportan los electrones necesarios en el proceso de síntesis celular.

Por otra parte, cuando los electrones suministrados en las reacciones de oxidación del sustrato pasan, a través de la cadena de transporte de electrones, al aceptor final de elec-trones, se genera una gran cantidad de energía en forma de ATP (adenosín-trifosfato) que es utilizada en las reacciones de biosíntesis.

En función de la fuente de carbono y del dador de electrones utilizados se clasifican en autótrofos y heterótrofos. Son autótrofos aquellos organismos capaces de sintetizar ma-teria orgánica a partir de las sustancias minerales (fuente de carbono el CO2 y utilizan como dador de electrones, materia inorgánica como NH4+ y NO2-). Los organismos he-terótrofos son aquellos que precisan de la materia orgánica para su desarrollo y mante-nimiento (fuente de carbono y dador de electrones, la materia orgánica).

En función del tipo de aceptor de electrones se clasifican en aerobios, anaerobios y fa-cultativos. Los denominados aerobios sólo utilizan oxígeno. Los anaerobios sólo pueden crecer en ausencia de oxígeno molecular y, los facultativos utilizan oxígeno cuando está presente pero pueden utilizar otro aceptor de electrones cuando no lo está. Dentro de este último grupo cabe destacar las bacterias desnitrificantes que reducen el nitrato a nitró-geno molecular.

Métodos biológicos de tratamiento de aguas residuales

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Fuente: EGEVASA

Figura 1.1. Flóculos típicos de los fangos activados.

1.2.2. Bacterias Hay tanto formas autótrofas como heterótrofas. Estas últimas utilizan para su creci-miento compuestos orgánicos solubles.

En los sistemas biológicos de depuración intervienen en múltiples procesos. Entre ellos, el más importante es el de la eliminación de la materia orgánica por la vía aerobia (oxi-dación y síntesis de nuevos materiales orgánicos en forma de material celular). Pero tam-bién intervienen en los procesos de descomposición anaerobia, así como en los de des-nitrificación, nitrificación y acumulación de fósforo en sistemas de eliminación de nutrientes en plantas de fangos activados.

En el proceso de fangos activados las bacterias constituyen normalmente el 95% de la biomasa. Las bacterias aisladas tienen un tamaño muy pequeño (0.5 – 1.0 µm) por lo que sería imposible separarlas del agua tratada. Sin embargo, bajo condiciones adecuadas, las bacterias en el proceso de fangos activados crecen formando agregados que alcanzan tamaños entre 0.05 y 1.0 mm. Las bacterias responsables de la formación de los bio-flóculos son las denominadas formadoras de flóculos. De esta forma las bacterias sedi-mentan en el clarificador secundario, produciendo un efluente final clarificado y un


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fango espesado. En la Figura 1.1 se muestran ejemplos de flóculo tipo. Sin embargo, no todas las bacterias en los fangos activados son capaces de formar flóculos, pudiéndose desarrollar bacterias filamentosas que pueden dar lugar a problemas operacionales. Aun-que en pequeñas proporciones estas bacterias contribuyen a dar fuerza al flóculo frente a los esfuerzos cortantes de los equipos de aireación, en grandes cantidades mantienen los flóculos alejados unos de otros, dificultando la sedimentación. Hay otro tipo de bac-terias problemáticas que provocan la aparición de grandes cantidades de espumas en el reactor biológico y en el decantador. Aproximadamente son 20 los organismos filamen-tosos diferentes que aparecen con frecuencia en los procesos de fangos activados. En la Figura 1.2 se muestran fotografías de la observación al microscopio de algunos de los tipos más comunes de bacterias filamentosas en las plantas de tratamiento de aguas resi-duales.

Fuente: EGEVASA

Figura 1.2. Organismos filamentosos observados en plantas de tratamiento de aguas residuales.

1.2.3. Protozoos Son microorganismos heterótrofos. La mayoría de los protozoos viven libremente en la naturaleza, aunque algunas especies son parásitas, viviendo en un organismo huésped,


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que puede variar desde algas hasta seres humanos. La mayoría son aerobios o anaerobios facultativos, aunque se han encontrado algunos tipos anaerobios.

Pueden alimentarse de bacterias u otros microorganismos (holozoicos) o de materia or-gánica disuelta (osmotrófos), aunque no se cree que compitan eficazmente con las bac-terias por el sustrato soluble, pudiéndose asumir que la eliminación de la materia orgá-nica disuelta es llevada a cabo por las bacterias.

(a) (b)

(c) (d)

Fuente: EGEVASA

Figura 1.3. Protozoos observados en fangos activados. a) Flagelados; b) amebas; c) ciliados na-dadores libres y d) ciliados fijos.

Los protozoos constituyen aproximadamente el 5% de la biomasa de los fangos activa-dos, habiéndose encontrado unas 200 especies. Estos organismos son un componente


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necesario de los fangos activados llevando a cabo por una parte una eliminación de co-liformes y patógenos, clarificando el efluente, y contribuyendo, por otra, a la floculación de la biomasa aunque su contribución es menos importante que la de las bacterias for-madoras de flóculos.

Los protozoos también juegan un papel importante en los sistemas de cultivo fijo, donde están presentes en mayor proporción. Su contribución al proceso es la misma que en los cultivos en suspensión.

Los cuatro grupos básicos de protozoos en los fangos activados son flagelados, amebas y formas nadadoras libres y fijas de ciliados (Figura 1.3).

1.2.4. Hongos La mayoría son aerobios estrictos, toleran valores de pH relativamente bajos y tienen unos requisitos de nitrógeno mucho más bajos que las bacterias.

Aunque pueden utilizar la materia orgánica disuelta, rara vez compiten con las bacterias en los sistemas de cultivo en suspensión. Bajo determinadas condiciones (pH bajos, dé-ficit de nitrógeno) pueden proliferar, produciendo unos fangos con pobres cualidades de sedimentación. Son más frecuentes en los sistemas de cultivo fijo constituyendo en estos sistemas una parte importante de la biomasa.

1.2.5. Algas Son organismos fotosintéticos muchos de ellos unicelulares, y que cuando son plurice-lulares no forman verdaderos tejidos.

La mayor parte de los autores sitúan dentro de ellas a las algas azules (Cianofíceas), que son organismos fotosintéticos, pero sin diferenciación nuclear (procariotes), por lo que otros autores las sitúan dentro de las bacterias denominándolas Cianobacterias. Algunas de ellas son capaces de utilizar el nitrógeno atmosférico (N2) como fuente de nitrógeno, proceso que recibe el nombre de fijación.

Desde el punto de vista de la Ingeniería Sanitaria cabe destacar los siguientes aspectos de las algas:

1. Su utilización en los sistemas de depuración no es tanto por su capacidad de depurar sino como fuente de oxígeno en los sistemas extensivos.

2. Al ser autótrofas su presencia en un sistema de depuración no disminuye el con-tenido en materia orgánica, sino que lo aumenta pues la sintetizan a partir de las fuentes minerales de carbono existentes. En el caso de las cianobacterias son capaces de generar cantidades de materia orgánica superiores a las presentes en las aguas de vertido, al suplir los déficits de nitrógeno existentes en las aguas residuales urbanas con nitrógeno atmosférico.


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1.2.6. Rotíferos Son organismos aerobios y multicelulares cuya extremidad anterior está modificada en un órgano ciliado, el aparato rotador, que utilizan para la captura de alimentos y el mo-vimiento. En los sistemas de fangos activados constituyen normalmente, junto a los ne-mátodos, la cima de la pirámide trófica; ejerciendo una acción predadora sobre el resto de los organismos que existen en el medio (Figura 1.4).

Fuente: EGEVASA

Figura 1.4. Rotífero (Contraste de fase 100x).

1.2.7. Nemátodo En los sistemas de depuración actúan como predadores de los organismos inferiores, y, como ya se ha dicho antes, en los fangos activados constituyen la cima de la pirámide trófica.

1.3. Procesos que tienen lugar en los tratamientos biológicos En los tratamientos biológicos tienen lugar una serie de transformaciones de vital impor-tancia (Figura 1.5):

Crecimiento biológico. Los microorganismos presentes son capaces de utilizar molécu-las pequeñas y simples para su crecimiento, tales como ácido acético, etanol, metanol, glucosa, amonio, nitrito, etc.


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Hidrólisis. Consiste en la transformación de moléculas de gran tamaño en moléculas pequeñas, directamente degradables mediante la acción de enzimas extracelulares pro-ducidas por los microorganismos. Tiene lugar la hidrólisis tanto de la materia particulada como de la disuelta. Estos procesos son normalmente más lentos que los de crecimiento biológico, por lo que suelen convertirse en los limitantes.

Desaparición de biomasa (decay). Esta desaparición engloba el consumo de biomasa debido a:

- Mantenimiento: energía necesaria para los procesos celulares (motilidad, regulación osmótica, transporte molecular, etc.). Cuando los aportes externos de energía son me-nores que las necesidades de energía para mantenimiento, las células obtienen la ener-gía necesaria de la degradación de reservas de energía existentes en el interior de la célula, lo que da lugar a una disminución de la biomasa (metabolismo endógeno). Cuando todas las reservas endógenas se han agotado las células mueren.

- Predación: organismos superiores en la cadena trófica (p.e. protozoos) utilizan bac-terias como alimento.

- Muerte y lisis: cuando las células mueren se produce la rotura de la pared celular y el citoplasma y otros constituyentes pasan al medio donde, tras sufrir un proceso de hidrólisis, se convierten en sustrato para otros organismos. Los materiales más com-plejos permanecen como residuo orgánico inerte (debris) ya que prácticamente no se solubilizan.

Figura 1.5. Transformaciones biológicas en plantas de tratamiento.

Crecimiento biológico

Materia lentamente biodegradable

Materia fácilmente biodegradable

Biomasa

Materia inerte (debris)

DECAY

Hidrólisis


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Desde el punto de vista ingenieril es conveniente la utilización de modelos simplificados ya que son más fáciles de aplicar. En el caso de la desaparición de biomasa, proceso que engloba un gran número de interacciones, existen dos formas aproximadas de abordar su modelación: el modelo de lisis-recrecimiento y el modelo tradicional (que es el que se utilizará en este desarrollo).

En el modelo de lisis-recrecimiento toda la biomasa puede sufrir el proceso de lisis, aun-que a velocidades diferentes según el tipo de organismo, dando lugar a materia orgánica particulada hidrolizable y un residuo inerte, debris. La materia orgánica particulada es hidrolizada a materia orgánica soluble que es utilizada por la biomasa activa para nuevo crecimiento. En la Figura 1.5 se incluye una representación esquemática de este modelo.

Por otra parte, cuando los electrones suministrados en las reacciones de oxidación del sustrato pasan, a través de la cadena de transporte de electrones, al aceptor final de elec-trones, se genera una gran cantidad de energía en forma de ATP (adenosín-trifosfato) que es utilizada en las reacciones de biosíntesis.

En el modelo tradicional (más simple que el anterior) la biomasa activa es destruida como resultado del decay y los electrones cedidos en la oxidación del carbono a dióxido de carbono pasan al aceptor de electrones. La biomasa no es totalmente oxidada que-dando una fracción como debris. Este debris se va acumulando en el fango disminuyendo la fracción activa de la biomasa. La ecuación que representa el proceso viene dada por:

Debris++→+ − nutrientesreducidoaceptor + CO eaceptorBiomasa 2 1.1

1.3.1. Organismos heterótrofos Estos organismos son los que actúan básicamente en los sistemas biológicos de depura-ción, pudiendo actuar bien por vía aerobia o anóxica, bien por vía anaerobia. En la Figura 1.6 se muestra un esquema de las transformaciones que sufre la materia orgánica bajo la acción de estos organismos.

En la vía aerobia y en la anóxica, estos organismos, tras la introducción de la materia orgánica en su interior, la someten a dos transformaciones diferentes. Una de descompo-sición que, básicamente, transforma esa materia orgánica en CO2, agua y otros compues-tos inorgánicos (NH+4, …). Dado que esta reacción es exotérmica, proporciona energía al resto de las funciones celulares. Este proceso recibe el nombre de catabolismo. La otra consiste en la síntesis de tejido celular a partir de los nutrientes, la materia orgánica pre-sente y la energía producida en los procesos catabólicos. Recibe el nombre de anabo-lismo.

Por otra parte, en el proceso de desaparición de la biomasa algunos de los constituyentes de la célula son transformados en productos finales. La fracción de la materia celular que no puede degradarse o que lo hace muy lentamente, da lugar a un residuo orgánico inerte (debris).

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