procesos biológicos aplicados al tratamiento de

Octubre del 2000
INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXII, No. 4, 2001
PROCESOS BIOLÓGICOS APLICADOS AL
TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL
INTRODUCCIÓN
Todos los procesos biológicos que se emplean en el
tratamiento de agua residual1,2 tienen su origen en
procesos y fenómenos que se producen en la naturaleza.
El proceso de tratamiento biológico consiste en el control
del medio ambiente de los microorganismos de modo que
se consigan condiciones de crecimiento óptimas.
Las principales aplicaciones de estos procesos son: la
eliminación de la materia orgánica carbonosa del agua
residual, medida como DBO, COT o DQO; la nitrificación;
la denitrificación; la eliminación de fósforo; y la
estabilización de fangos.
Los principales procesos biológicos aplicados al
tratamiento de agua residual se dividen en cinco grandes
grupos:
• Procesos aerobios: procesos de fangos activados,
lagunas aireadas, digestión aerobia, filtros percoladores,
filtros de desbaste, sistemas biológicos rotativos de
contacto o biodiscos (RBC), biofiltros activados.
• Procesos anóxicos: Denitrificación con cultivo en
suspensión, y la denitrificación de película fija.
• Procesos anaerobios: Digestión anaerobia, proceso
anaerobio de contacto (UASB), filtro anaerobio, y lecho
expandido.
• Procesos anaerobios, anóxicos o aerobios
combinados: Proceso de una o varias etapas.
• Procesos en estanques o lagunajes: Lagunas
aerobias, lagunas facultativas, lagunas anaerobias y
lagunas de maduración o terciarias. Estos procesos en
estanques o lagunajes se pueden incluir también en los
procesos anteriormente mencionados.
A continuación se explicarán algunos de los procesos
biológicos, anteriormente mencionados, aplicados al
tratamiento de agua residual, que más ampliamente
han sido difundidos en todo el mundo.
Resumen / Abstract
En este artículo se exponen de la forma más clara
posible algunos de los procesos biológicos aplicados
al tratamiento de agua residual que más ampliamente
han sido difundidos en casi todo el mundo, a lo largo
de los años.
Palabras clave: tratamiento de residuales, procesos de
tratamiento.
In this article they are exposed in the possible clearer
way some of the biological processes applied to the
wastewater of treatment that more thoroughly have been
diffused in almost everybody, along the years.
Key words: wastewater treatment, treatment processes.
PROCESOS DE FANGOS ACTIVADOS
Este proceso fue desarrollado por primera vez, en
Inglaterra en 1914, por Ardern y Lockett, y su nombre
proviene de la producción de una masa activada de
microorganismos capaz de estabilizar un residuo por vía
aerobia.
En el tratamiento biológico de aguas residuales
mediante el proceso de fangos activados el residuo
orgánico se introduce en un reactor, donde se mantiene
un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. El contenido
del reactor se conoce con el nombre de licor mezclado.
En el reactor, el cultivo bacteriano lleva a cabo la
conversión en concordancia general con la estequiometría
Elida Nodal Becerra, Ingeniera Civil, Especialista de la Empresa de Aguas de La Habana
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de las ecuaciones de "oxidación y síntesis" y "respiración
endógena". (En dichas ecuaciones, COHNS representa la
materia orgánica del agua residual.)
En este proceso las bacterias son los microorganismos
más importantes, ya que son los causantes de la
descomposición de la materia orgánica del afluente;
aunque también intervienen otros microorganismos como
los protozoos y rotíferos que ejercen una acción de refino
de los efluentes.
En el diseño de este proceso es necesario tener en
cuenta:
•Elección del tipo de reactor.
• Criterios de carga; que entre los más comunes están
la relación alimento/ microorganismos (F/M) y el tiempo
medio de retención celular (θ c ).
• Producción de fangos; la cual es importante puesto
que afecta el diseño de las instalaciones de tratamiento y
la evacuación del fango en exceso (purga).
• Necesidades y transferencia de oxígeno.
• Necesidades de nutrientes.
• Control de organismos filamentosos; que su
crecimiento es el problema más frecuente en este proceso,
la proliferación de estos organismos en el líquido mezcla
conduce a la formación de un fango de pobres
características de sedimentabilidad; lo cual se controla
con la incorporación de un selector.
• Características del efluente.
Los principales factores que intervienen en el control
del proceso de fango activado son: el mantenimiento de
los niveles de oxígeno disuelto en el tanque de aireación;
la regulación de la cantidad de fango recirculado (RAS); y
el control de purga de fango activado.
Dentro de los problemas más frecuentes en la
explotación de los procesos de fangos activados se
encuentran:
• Los fangos voluminosos, que son aquellos que poseen
pobres características de sedimentabilidad y escasa
compactabilidad. Sus causas más frecuentes están
relacionadas con las características físicas y químicas
del agua residual y las deficiencias del proyecto y
explotación; además de presentar algunas causas
operacionales como las bajas concentraciones de oxígeno
disuelto en el tanque de aireación, la falta de nutrientes,
las grandes variaciones en la carga orgánica, bajas
relaciones alimento/microorganismos, y un gradiente de
DBO5 soluble insuficiente.
• El fango ascendente, que en ocasiones es aquel fango
de buenas características de sedimentabilidad que flota o
asciende hacia la superficie después de un período de
sedimentación relativamente corto. Este fenómeno se
produce como consecuencia de la denitrificación, proceso
en el que los nitritos y nitratos del agua residual se
convierten a nitrógeno gas.
• Nocardia, que es la formación de una espuma viscosa
de color marrón que cubre los tanques de aireación y los
decantadores o sedimentadores secundarios, lo que ha
provocado problemas de seguridad, efluentes de baja
calidad y malos olores. Algunas causas de los problemas
provocados por esta espuma pueden ser relaciones
alimento-microorganismo bajas en los tanques de
aireación; concentraciones elevadas de sólidos
suspendidos en el líquido mezcla (aumentando la edad
del fango), debido a una purga insuficiente del fango y la
reaireación del fango.
LAGUNAS AIREADAS
Las lagunas aireadas, se desarrollaron a partir de
lagunas de estabilización facultativas, en las que se
instalaron aireadores de superficie para eliminar los olores
que se producían al estar sometidos a sobrecargas
orgánicas.
Este proceso es esencialmente el mismo que el de
fangos activados de aireación prolongada convencional
(θc = 20 d), excepto que se usa como reactor un depósito
excavado en el terreno y el oxígeno se suministra mediante
difusores o aireadores superficiales. La microbiología es
similar a la de fangos activados. En estas lagunas es
posible llevar a cabo el proceso de nitrificación, tanto de
forma estacional como continua; y el grado de nitrificación
depende del diseño y funcionamiento del sistema y de la
temperatura del agua residual.
Los factores que hay que tener en cuenta en el diseño
de las lagunas aireadas son:
• La eliminación de la DBO, que se basa en el tiempo
medio de retención celular (valores típicos entre 3 y 6 d),
además la eliminación de DBO5 se mide en la entrada y
salida de la laguna aireada.
• Las características del efluente, que de ellas las que
revisten mayor importancia son la concentración de DBO5
y de sólidos suspendidos.
• La demanda de oxígeno, que la cantidad suministrada
oscila entre 0,7 y 1,4 veces la cantidad de DBO5 eliminada.
• Los efectos de la temperatura, que entre los más
relevantes se encuentra la reducción de la actividad
biológica y de la eficiencia del tratamiento, y la formación
de hielo.
• La demanda energética para el mezclado.
• La separación de sólidos.
DIGESTIÓN AEROBIA
La digestión aerobia es un método alternativo de tratar
fangos orgánicos producidos en el curso de las diversas
operaciones de tratamiento. Los digestores aerobios se
pueden emplear para el tratamiento de fangos activados o
filtros percoladores, mezclas de fangos activados o de
filtros percoladores con fangos primarios, o fango biológico
en exceso de plantas de tratamiento de fangos activados
sin sedimentación primaria. También se puede agregar
que se usan dos tipos de digestores aerobios, el
convencional y el de oxígeno puro.
Los factores a tener en cuenta en el análisis de los
digestores aerobios incluyen el tiempo de detención
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hidráulica, los criterios de carga, las necesidades de
oxígeno, las necesidades energéticas para el
mezclado, las condiciones ambientales, y el
funcionamiento y explotación del proceso.
FILTROS PERCOLADORES
El primer filtro percolador se puso en funcionamiento
en Inglaterra en el año 1893. El concepto de filtro percolador
se originó del uso de filtros de contacto, que eran
estanques impermeables rellenados con piedra
machacada.
El filtro percolador moderno consiste en un lecho
formado por un medio filtrante al que se adhieren los
microorganismos, y a través del cual percola el agua
residual, fenómeno por el cual recibe nombre el proceso.
El medio filtrante suele estar formado por piedras (su
diámetro oscila entre 2,5 y 10 cm), o diferentes materiales
plásticos de relleno. La profundidad del lecho varia en cada
diseño entre 0,9 y 2,5 m, con una profundidad media de
1,8 m. Los de medio filtrante de piedra suelen ser circulares
y los de material plástico pueden ser circulares, cuadrados,
o de otras formas y con profundidades entre 4 y 12 m.
La comunidad biológica está compuesta principalmente
de bacterias facultativas, nitrificantes, aerobias,
anaerobias, hongos, algas y protozoos.
Los principales factores a tener en cuenta a la hora de
predecir el adecuado funcionamiento son las cargas
orgánicas e hidráulicas y el grado de tratamiento.
Los filtros percoladores se clasifican en función de la
carga orgánica en filtros de baja carga, filtros de media y
alta carga, filtros de muy alta carga, filtros de desbaste, y
filtros de dos etapas.
Filtros de baja carga
Es un dispositivo relativamente sencillo y de gran
facilidad, que produce una calidad estable del efluente
con independencia de la naturaleza cambiante del afluente.
Generalmente, se mantiene una carga hidráulica constante,
no por recirculación, sino por medio de bombas con control
del nivel de succión o con sifones dosificadores. Estos
bien operados pueden producir un efluente con un elevado
nivel de alimentación de DBO y altamente nitrificado. El
desprendimiento de olores es un gran problema, en especial
si el agua residual es séptica o el clima es caluroso. No
se deben ubicar en lugares que el desprendimiento de
olores pueda ser un inconveniente.
Filtros de media y alta carga
En estos filtros la recirculación del efluente del filtro o
del efluente final permite la utilización de cargas orgánicas
más elevadas. En los filtros de media carga el flujo del
caudal al filtro suele ser continuo; y los de alta carga se
proyectan para cargas notablemente superiores a las
correspondientes a los filtros de baja carga, y el caudal es
continuo, la recirculación ayuda a prevenir el
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encharcamiento y a reducir los problemas de olores y
proliferación de moscas.
Filtros de muy alta carga
Estos filtros de muy alta carga trabajan a altas cargas
hidráulicas y orgánicas. Las principales diferencias entre
estos y los de alta carga radican en las mayores cargas
hidráulicas y la mayor profundidad.
Filtros de desbaste
Son filtros de alta carga que se proyectan para trabajar
con cargas orgánicas superiores a 1,6 kg/m3.d y cargas
hidráulicas elevadas, superiores a 187 m 3/m2.d. Se utilizan
como pretratamiento del agua residual antes del tratamiento
secundario, y usa medios plásticos. Se emplean
principalmente para reducir la carga orgánica aplicada a
los procesos posteriores y para obtener una nitrificación
estacional. Tienen tendencia al uso de medios sintéticos,
con profundidades entre 3,7 y 12 m. Su funcionamiento
depende de la temperatura, y necesitan tasas altas de
recirculación por las cargas hidráulicas elevadas. La
actividad biológica es similar a la de un filtro percolador.
Filtros de dos etapas
En el tratamiento de aguas residuales muy
concentradas se suele usar un sistema de dos filtros en
serie con un decantador intermedio para la eliminación de
sólidos generados en el primer filtro. El filtro de la primera
etapa y el clarificador reducen la DBO carbonosa y en la
segunda etapa se produce la nitrificación.
Sistemas biológicos rotativos de contacto o biodiscos (RCB)
Un biodisco consiste en una serie de discos circulares
de poliestireno o cloruro de polivinilo, situados sobre un
eje, a corta distancia unos de otros; los discos están
parcialmente sumergidos en el agua residual y giran
lentamente en el seno de la misma.
Los biodiscos se pueden utilizar como tratamiento
secundario, y también para la nitrificación y desnitrificación
estacionales o permanentes. Son fiables debido a la gran
cantidad de biomasa presente.
En el diseño de un sistema de biodiscos, se debe prestar
atención a:
• La distribución en etapas de las unidades de biodiscos.
• Los criterios de carga.
• Las características del efluente
• Los tanques de sedimentación.
Este diseño se basa en la DBO soluble por unidad de
superficie (kgDBO5/m2), o en el caso de la nitrificación
(kgNH3/m 2), y se pueden diseñar para llevar a cabo
tratamientos secundarios o avanzados.
Los problemas operacionales que presentan los
sistemas de biodiscos están relacionados con la rotura
del medio, fallos en los cojinetes de apoyo, y problemas
de olores.
El proyecto de biodiscos se basa en el uso de
parámetros de diseño, como la carga hidráulica, la carga
orgánica (DBOT eliminada del afluente y la DBOT del
efluente), la carga máxima sobre la primera etapa (gDBOS/
m2.d y gDBOT/m2.d), la carga de NH3 (gNH3/m2.d), tiempo
de detención hidráulica (h), DBO5 en el efluente (mg/ L) y
el efecto de la temperatura.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
La digestión anaerobia es uno de los procesos más
antiguos usados en la estabilización de fangos. En el se
produce la descomposición de la materia orgánica e
inorgánica en ausencia de oxígeno molecular.
En este proceso la materia contenida en la mezcla de
fangos primarios y biológicos se convierte biológicamente,
bajo condiciones anaerobias, en metano (CH4) y dióxido
de carbono (CO2). Este proceso se lleva a cabo en un
reactor completamente cerrado, de forma continua e
intermitente, y permanecen en su interior durante períodos
de tiempo variables.
Los dos tipos de digestores más empleados son: los
de baja carga, los cuales no se suelen calentar, ni mezclar
el contenido del digestor, con tiempos de retención entre
30 y 60 días; y los de alta carga, en los que el contenido
se calienta completamente, con tiempos de detención
hidráulica de 15 días o menos.
Las ventajas de estos con respecto a los aerobios
vienen condicionadas por el lento crecimiento de las
bacterias formadoras de metano.
PROCESO ANAEROBIO DE MANTO DE FANGO
DE FLUJO ASCENDENTE (UASB)
En este proceso el residuo que se quiere tratar se
introduce por la parte inferior del reactor. El agua residual
fluye en sentido ascendente a través de un manto de fango
constituido por gránulos o partículas formadas
biológicamente. El tratamiento se produce al entrar en
contacto el agua residual y las partículas. Los gases
producidos en condiciones anaerobias (CH4, CO2) provocan
una circulación interior que colabora en la formación y
mantenimiento de gránulos, y parte del gas generado dentro
del fango se adhiere a las partículas biológicas. En el
DQO de entrada está entre 5 000 y 15 000 mg/ L, el tiempo
de detención hidráulica entre 4 y 12 h, la carga orgánica
entre 4,00 y 12,00 gDQO/ L.d, y la eliminación de DQO
entre 75 y 85 %.
PROCESO DE FILTRO ANAEROBIO
El filtro anaerobio es una columna rellena de diversos
tipos de medios sólidos que se utiliza para el tratamiento
de la materia orgánica carbonosa contenida en el agua
residual. El agua a tratar fluye en sentido ascendente
entrando en contacto con el medio sobre el que se
desarrollan y fijan las bacterias anaerobias. Este filtro puede
conseguir tiempos medios de retención celular de alrededor
de los 100 días, con bajos tiempos de detención hidráulica.
Pueden emplearse para el tratamiento de residuos de baja
concentración a temperatura ambiente.
PROCESO DE LECHO EXPANDIDO
En este proceso, el agua residual a tratar se bombea a
través de un lecho de material adecuado (arena, carbón,
conglomerado expandido) en el que se ha desarrollado un
cultivo biológico. El efluente se recircula para diluir el agua
entrante y mantener un caudal adecuado que asegure que
el medio se halle expandido.
Una de las ventajas de este método es la recuperación
de metano, un gas, de gran utilidad.
TRATAMIENTO POR ESTANQUE O LAGUNAJE
Los sistemas de lagunaje se utilizan para estabilizar
aguas residuales o desechos orgánicos, lo que de forma
casual o no, es tan antigua como la naturaleza misma,
los cuales no se empezaron a usar hasta la segunda mitad
del siglo XX.
Una laguna de estabilización es una estructura simple
para embalsar agua, de poca profundidad (entre 1 y 4 m),
con períodos de retención (entre 1 y 40 días), y de fácil
construcción con respecto a otros sistemas de tratamiento.
Los sistemas de lagunaje se pueden clasificar con
relación a la presencia de oxígeno en: aerobios, facultativos,
anaerobios y de maduración o terciarios.
Lagunas Aerobias
En su forma más simple, son grandes depósitos
excavados en el terreno, de poca profundidad, que se
emplean en el tratamiento de agua residual por medio de
procesos naturales, que incluyen el uso de bacterias y
algas; presentan condiciones aerobias en toda su
profundidad. De este tipo de lagunas existen dos tipos,
una que su objetivo es maximizar la producción de algas,
con profundidad entre 15 y 50 cm; y otra que su objetivo
es maximizar la cantidad de oxígeno producido, con
profundidad de hasta 1,5 m. La eficacia de estas lagunas
en la eliminación de DBO5 es alta, por encima del 95 %.
Lagunas Facultativas
En estas lagunas la estabilización se lleva a cabo
mediante una combinación de bacterias facultativas,
anaerobias y aerobias. En dichas lagunas existen tres
zonas; una zona superficial en la que existen bacterias
aerobias y algas en una relación simbiótica; una zona,
intermedia, que es parcialmente aerobia y anaerobia en la
que la descomposición de los residuos orgánicos la llevan
a cabo las bacterias facultativas; y una zona, inferior
anaerobia en la que se descomponen activamente los
sólidos acumulados por la acción de las bacterias
anaerobias. Estas lagunas se alimentan con agua residual
procedente de un proceso previo de desbaste o con el
efluente de un tratamiento primario.
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Lagunas Anaerobias
Se utilizan para el tratamiento de agua residual de alto
contenido orgánico, que también contenga una alta
concentración de sólidos. Son generalmente profundas,
excavadas en el terreno y dotadas de un sistema de
conducciones de entrada y salida adecuadas. Los residuos
a tratar sedimentan en el fondo de la misma, y el efluente
parcialmente clarificado se vierte a otro proceso posterior.
Estas lagunas son anaerobias en toda su profundidad,
excepto en una estrecha franja cercana a la superficie.
Tienen una eficacia en eliminación de DBO5 superior al
70 %, aunque a veces se logran de hasta un 85 %.
LAGUNAS DE MADURACIÓN O TERCIARIAS
Son diseñadas para mejorar la calidad de los efluentes
secundarios y para la nitrificación estacional. Su
funcionamiento implica la respiración endógena de los
sólidos biológicos residuales y la conversión del amoníaco
en nitrato mediante el suministro de oxígeno por
reaireación superficial y por la presencia de algas. Se han
propuesto para ellas tiempos de detención de 18 a 20 d
como el mínimo necesario para conseguir la respiración
endógena completa de los sólidos residuales. Y para
mantener las condiciones aerobias, las cargas aplicadas
deben ser bastantes bajas.
CONCLUSIONES
Una vez terminado este artículo, que trata sobre los
procesos biológicos aplicados al tratamiento de agua
residual, se puede arribar a la conclusión que existe una
gran diversidad de procesos aplicados al tratamiento de
agua residual, entre los que se pueden mencionar los
fangos activados o cienos activados; los filtros
percoladores; los sistemas de contacto rotativos o
biodiscos; el UASB; las lagunas aireadas; los filtros
anaerobios; los biofiltros activados; los procesos de lecho
expandido; los sistemas de lagunaje, que incluyen las
lagunas aerobias, facultativas, anaerobias y de
maduración o terciarias; la digestión aerobia y anaerobia,
entre otros.
REFERENCIAS
1. GORDON, M. et al.: Ingeniería sanitaria y aguas
residuales: purificación de aguas y tratamiento de aguas
residuales. Tomo II, Editorial Limusa-Wiley, S.A.,
Primera edición, México.
2. DÍAZ PÉREZ BETANCOURT, RAÚL: Tratamiento de
aguas y aguas residuales, ISPJAE, Ciudad de La
Habana, 1987.
3. CEPIS/HPE/OPS/OMS. Manual de lagunas de
estabilización y otros sistemas simplificados para el
tratamiento de aguas residuales, Lima, Perú, febrero
1985.
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