Principios básicos de la Oxidación Biológica

Principios básicos de la Oxidación
Biológica
E. Ronzano y J.L. Dapena
METABOLISMO MICROBIANO
El metabolismo es el conjunto de las actividades químicas de las células vivas.
Se divide en dos fases: catabolismo y anabolismo.
CATABOLISMO
En general se denomina catabolismo a una serie de reacciones bioquímicas que
transforman la materia viva en desechos o residuos.
En primer lugar, la materia orgánica debe penetrar dentro de la célula a través de la
membrana citoplásmica. Si la materia orgánica está en forma disuelta, puede penetrar
directamente; si la materia orgánica está en forma de materia en suspensión o coloidal,
es decir en forma de partículas o grandes moléculas, éstas deben reducirse de tamaño e
hidrolizarse por exoenzimas, producidas por la propia célula.
La propia penetración puede ser simple, es decir, directa, o necesitar la ayuda de
sistemas enzimáticos.
Una vez en el interior de la célula, puede oxidarse el sustrato, o materia orgánica
asimilable. Esta oxidación se produce en numerosas etapas y es de una enorme
complejidad, interviniendo cadenas de enzimas y coenzimas que actúan de forma
progresiva.
ANABOLISMO
Se define el anabolismo como el conjunto de fases del metabolismo, que dan como
resultado la síntesis de los componentes orgánicos del protoplasma, necesarios para el
crecimiento y la reproducción.
Estos componentes son polímeros simples que para su formación necesitan de energía y
sustrato.
Como en el caso del catabolismo la formación de estos polímeros es muy compleja.
METABOLISMO MICROBIANO EN EL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS
RESIDUALES URBANAS (ARU)
Este metabolismo se desarrolla en cuatro etapas:
A) La DBO rápidamente biodegradable, es decir, soluble y constituida por moléculas
simples, pasa directamente a través de la membrana celular y se metaboliza a alta
velocidad.
B) La DBO de las materias en suspensión y de los coloides, que representa la mayor
parte de la DBO lentamente biodegradable, es adsorbida sobre la célula con un efecto de
almacenamiento sobre la membrana citoplásmica.
Estas materias almacenadas sufren un tratamiento de hidrólisis por acción enzimática
para formar un sustrato asimilable.
La parte soluble de la DBO lentamente degradable no puede almacenarse sobre la célula
y debe transformarse en moléculas más simples, contando con la ayuda de enzimas
extracelulares segregadas por las bacterias.
Esta DBO lentamente biodegradable, una vez transformada en un sustrato asimilable,
puede metabolizarse igual que la fracción rápidamente biodegradable.
Pero esta transformación y preparación enzimática es relativamente lenta, y constituye
el factor limite de la reacción global de síntesis; su velocidad es solamente la décima
parte de la velocidad de síntesis de la DBO rápidamente biodegradable.
C) Producción de masa activa. Una fracción de la DBO metabolizada se transforma en
materia del nuevo protoplasma celular; la fracción que queda se utiliza para la
producción de la energía necesaria para la síntesis, o eventualmente perdida en forma de
calor.
Esta energía se produce con un consumo de oxigeno, es decir, el oxigeno consumido
está en relación directa con la DBO eliminada.
Existe una comprobación experimental que permite establecer una relación en aguas
residuales de composición similar. La masa activa producida con relación a la DBO consumida es constante; esta relación se llama «coeficiente
de crecimiento». En la literatura anglosajona se le denomina Yield Coefficient o Sludge
Yield Coefficient, y se representa por Y, simbologia que adoptaremos en adelante.
D) Oxidación de masa activa. De forma simultánea a la oxidación y producción de
energía, hay una pérdida neta de masa activa llamada pérdida de masa endógena. Una
parte de la materia asimilada, del orden del 80%, queda completamente oxidada en
productos finales (C02, H20); la parte restante, el 20%, que no es degradable, queda
como residuo.
La cantidad de oxigeno necesario es directamente proporcional a la masa de materia
volátil desaparecida.
En realidad, esta explicación de la pérdida de masa endógena es el resultado final de una
serie de mecanismos muy complejos, en los cuales interviene en particular el
crecimiento de organismos primarios (bacterias) y de sus depredadores (protozoos).
Se puede interpretar la formación de residuos endógenos de dos maneras distintas:
- La síntesis produce 1 g de masa activa; la desaparición o inactivación de esta masa se
traduce por la oxidación completa de 0,8 g y la formación de 0,2 g de residuos. En este
caso el coeficiente de pérdida de masa endógena b se aplica al gramo de masa activa.
- La síntesis produce 1 g de biomasa, de la cual:
· 0,8 g son masa activa degradable.
· 0,2 g son materia orgánica no degradable.
En este caso, el coeficiente b se aplica a 0,8 g y no a 1,0 g.
Hemos adoptado la primera interpretación, que es de Marais (Ref. 1) y de algunos otros
autores.
BALANCE: MATERIA ORGÁNICA Y OXÍGENO
DQO: Materia orgánica
Las fórmulas químicas teóricas y las relaciones estequiométricas nos permiten
determinar que la materia orgánica sintetizada, constituida únicamente por
microorganismos, tiene una DQO de:
1,42 g de DQO/l,0 g de materia orgánica (2)
Pero en los fangos activados también hay otras dos fuentes de materia orgánica:
- Las preexistentes en el agua.
- Los residuos de la endogénesis.
La proporción de las tres fracciones no sólo depende de la composición del agua, sino
también de la edad del fango «SRT» (Sludge Retention Time). Para valores altos da
poca materia activa y muchos residuos, y al contrario para valores bajos.
Después de muchos estudios pilotos, con un amplio rango de SRT y distintas aguas
residuales, Marais (Ref. 1 - página 1-7) ha determinado un valor medio para los fangos
activados, con pocas desviaciones, de:
DQO/MO 1,48 g de DQO/ 1,0 g de materia orgánica.
Entre el valor teórico y el experimental (ecuación 6), hemos elegido este último.
Este valor de 1,48 también puede utilizarse para las materias orgánicas preexistentes en
el agua.
Coeficiente de crecimiento Y y coeficiente de necesidades de oxígeno para la síntesis a
El coeficiente de crecimiento Y se puede definir en kg de materia orgánica producida
por kg de DBO5 (o DQO) utilizada o eliminada:
Y: kg MO/kg DBO5 (o DQO).
El coeficiente de necesidades de oxígeno para la síntesis a' en kg de oxígeno por kg de
DBO5 (o DQO) eliminada:
a': kg O2/kg DBO5 (o DQO).
La DQO de un sustrato es la suma de:
- La DQO de la masa activa, es decir: Y = 1,48
- Las necesidades de oxigeno para la síntesis a', es decir:
1,48 Y + a' = 1. (3)
Y y a ' deben formularse en términos de DQO.
Como Y vaffa según la composición del agua, se han publicado muchos valores, y es
necesario considerar únicamente los que se refieren a aguas residuales urbanas.
También hay que tener en cuenta que algunas veces Y incluye las materias orgánicas no
degradables contenidas en el agua.
a 'es un coeficiente difícilmente evaluable porque, a alta carga, los fangos en exceso
pueden contener materia orgánica adsorbida pero no metabolizada, es decir, materia
orgánica que no ha gastado oxígeno.
Hemos tomado las referencias de:
- Marais: (Ref. L1): Y = 0,45 (DQO).
- Eckenfelder (Ref. L2): Y = 0,73 (DBO) con MO preexistentes.
- ATV (Ref. 10): Y = 0,60 (DBO). a' = 0,50 (DBO).
- Manual of Practice (MOP (Ref. L3)): Y = 0,5 a 0,7 (DBO). a'= 0,48a0,71 (DBO).
- Barnes (Ref L8): Y = 0,70.
Adoptamos los valores siguientes que corresponden a los máximos. Una infravaloración
puede ser peligrosa y conducir a un infradimensionamiento de los fangos en exceso o de
las necesidades de oxigenación, pero no de los dos parámetros, ya que son
complementarios:
Y = 0,71 (DBO) ó 0,43 (DQO) (4)
a' = 0,62 (DBO) ó 0,37 (DQO) (5)
La ecuación 3 se cumple: (1,48 · 0,43 + 0,37 = 1), comprobando que los dos valores de
«Y» y «a'» son compatibles.
Balance para una DBO5 de 1 kg
Establecemos este balance con los siguientes parámetros:
- Y = 0,71 g MO/g DBO5.
- a' = 0,62 g 02/g DBO5.
- 1,48 g DQO/g MO.
- Fracción inerte de la masa activa = 0,2
(Marais (Ref. 1) = 0,2, Mac Kiney: 0,17 a 0,20
Eckenfelder (Ref. 2) = 0,23).
- DBOu/DBO5 = 1,46.
Se puede ver que:
- DQO = DBOu/0,87.
(Eckenfelder (Ref. 2) = 0,90).
- DQO = DBOu + DQO residuos.
1670 = 1460+1,48 · 142
(Esta DQO es la de la materia orgánica degradable).
La Figura 2.1 representa este balance.
Figura 2.1. Balance. Materia orgánica oxígeno.