Tratamiento anaerobio: digestión
La digestión anaerobia es una fermentación en ausencia de oxígeno que estabiliza las materias orgánicas transformándolas, en el mayor grado posible, en gas metano y gas carbónico. Un primer grupo bacteriano, constituido por bacterias productoras de ácidos, transforma los compuestos orgánicos complejos en otros más simples (ácidos acético, propiónico, butírico) los cuales, a su vez, sirven de alimento a un segundo grupo, las bacterias metánicas.
Estas últimas son los organismos clave de la digestión anaerobia. Son estrictamente anaerobias, se desarrollan lentamente y son muy sensibles a las variaciones de temperatura y de pH del medio ambiente.
El potencial de oxidación-reducción, en la fermentación anaerobia, calculado con relación al hidrógeno, es del orden de - 0,2 a - 0,3 V.
La digestión de las materias orgánicas se efectúa, generalmente, con la participación de bacterias mesófilas que mantienen su actividad hasta 37 ºC.
Un líquido digerido en medio anaerobio puede representarse, desde el punto de vista del equilibrio ácido-base, como una solución acuosa de productos intermedios y finales.
Es preciso distinguir:
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• los ácidos volátiles (acético, propiónico) en equilibrio con sus sales (expresadas en forma de CH 3 COOH);
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• el ácido carbónico y su sal ácida: los bicarbonatos (expresados en forma de CaCO 3 );
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• el amoniaco.
A un pH dado y una concentración determinada en ácido volátil, existe una relación entre el ácido y su sal. Igualmente, para un contenido dado en CO 2 total, hay un equilibrio entre el ácido libre y el bicarbonato.
Los distintos ácidos volátiles tienen fuerza idéntica, ligeramente superior a la del ácido carbónico.
La alcalinidad total, expresada en CaCO 3 , en mg/l o meq/l, se divide, por tanto, en alcalinidad bicarbónica y en alcalinidad acética.
A un pH próximo a 7, índice de una buena digestión, puede considerarse, en primera aproximación, que todos los ácidos volátiles se encuentran en forma de sales (en parte, amoniacales).
Los principales índices de control de la digestión son:
Oxidación-reducción bacteriana
Algunas reacciones de oxidación-reducción (ver página 95) se realizan por intermedio de bacterias:
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oxidación del hierro y del manganeso en el agua (página 634);
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oxidación de compuestos sulfurados (página 978);
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oxidación-reducción de compuestos nitrogenados.
Todos los procesos biológicos anteriormente descritos corresponden a la eliminación de la contaminación orgánica carbonada. Las aguas residuales contienen, además, compuestos nitrogenados: proteínas, aminoácidos, urea y productos de descomposición, así como nitrógeno en forma mineral, generalmente sales de amonio. Todas estas formas de contaminación nitrogenada pueden evolucionar, por la acción de determinadas bacterias, según el ciclo del nitrógeno (ver página 976).
Se denomina nitrificación al proceso bacteriano en el cual el nitrógeno orgánico y amoniacal (nitrógeno total Kjeldahl NTK) se oxida transformándose en nitrito (por las Nitrosomonas) y después en nitrato (por las Nitrobacter). El gráfico fig. 50 muestra la zona de potenciales en la que tienen lugar estas transformaciones.
 Fig. 50.- Nitrificación.
En estas reacciones, sólo se detectan trazas de nitritos, ya que la velocidad de reproducción de bacterias tales como Nitrosomonas (1 día) es inferior a la de las Nitrobacter, en las condiciones óptimas del medio.
Para que se produzca la nitrificación, es preciso que la edad del fango sea tal que puedan reproducirse las bacterias que lo hacen con mayor lentitud. Si A es la edad del fango y µ N el grado de crecimiento de las Nitrosomonas, es preciso que:
1/A < µ N
La temperatura T influye en el grado de crecimiento de las Nitrosomonas, según la relación:
µ N = 0,212 x 1,0725 T-15
También es función del pH y varia según la relación:
µ N = µ - 0,17 (7,2 - pH)
en la que µ es el grado de crecimiento, a pH 7,2.
Por último, el valor final de NTK restante, N e, influye en el grado de oxidación K del amoníaco, según una relación del tipo:
K = K m · Ne/(K s + Ne)
en la que:
K m es el grado máximo de oxidación
K s es la concentración de amoniaco cuando: µ = 1/2 µ m
Si el oxigeno disuelto en el agua es insuficiente o nulo (fase anoxia), se produce una desnitrificación: algunos organismos utilizan el oxigeno de los nitratos reduciéndolos sucesivamente a nitritos NO - 2 , óxido nítrico NO, protóxido de nitrógeno N 2 O, y nitrógeno N. Estas transformaciones tienen lugar con un valor del potencial de oxidación-reducción de + 0,35 a 0,40 V, a pH 7, es decir en la misma zona que la nitrificación.
Si, debido a alguna causa exterior (digestión anaerobia), el potencial de oxidación-reducción toma valores negativos (- 0,2 a - 0,3 voltios) la reducción de nitratos y nitritos produce NH 4 + .
La presencia de oxígeno inhibe teóricamente la desnitrificación. En efecto, las bacterias que actúan en este proceso son heterótrofas anaerobias facultativas, que obtienen su energía de la que se libera durante la transferencia de electrones de los compuestos orgánicos hacia O 2, NO - 2 o NO - 3 .
Cuando se encuentran disponibles el oxígeno y los compuestos oxidados del nitrógeno, se elige como receptor final el que corresponde a la mayor cantidad de energía liberada por unidad de materia orgánica oxidada. Con referencia al oxigeno y a los nitratos, Mac Carty 1 ha publicado el cuadro siguiente:
Estos resultados indican claramente que la cantidad de energía liberada siempre es mayor en el caso del oxigeno que en el de los nitratos. En consecuencia, los electrones se transfieren preferentemente al oxigeno. La presencia de oxigeno disuelto inhibe la desnitrificación.
Además, cuando se utiliza metanol se libera el máximo de energía, lo que explica que muchos investigadores hayan utilizado este cuerpo como principal fuente de carbono en desnitrificación. Pero el agua residual doméstica proporciona finalmente una energía muy similar y gratuita, por lo que presenta un gran interés desde el punto de vista de aportación de carbono.
Por lo que se refiere al pH, parece ser que el valor óptimo se halla situado entre 7,0 y 8,2. Por ello, una nitrificación demasiado importante, que pudiera producir una considerable reducción del pH, en un agua poco tamponada, seria perjudicial para la desnitrificación esto explicaría las dificultades planteadas en la eliminación biológica de fuertes contenidos de NTK o N-NH 4 .
Johnson ha demostrado que la desnitrificación es proporcional a la cantidad de substrato utilizado. Por otra parte, se ha comprobado que, cualquiera que sea el substrato carbonado elegido, se eliminan de 4 a 6 mg de DBO 5 por mg de nitrógeno nítrico reducido sin otra aportación de oxígeno. Por lo tanto, mediante la desnitrificación puede eliminarse una parte importante de la contaminación carbonada (DBO 5 ), volviendo a utilizar el oxígeno de los nitratos,
Por último, debe recordarse que, como toda reacción enzimática, la desnitrificación es sensible a la temperatura, lo que, cuando se trata de valores reducidos (tº < 10 ºC) tiende a disminuir su velocidad. |
