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Tratamiento aerobio

Cuando la materia orgánica biodegradable L e es consumida por una masa S a de microorganismos, en medio aerobio, se produce:

•  por una parte, un consumo de oxigeno por estos microorganismos para sus necesidades energéticas, su reproducción por división celular (síntesis de la materia viva) y su respiración endógena (auto-oxidación progresiva de su masa celular).

•  por otra parte, un exceso de materias vivas e inertes llamadas fangos en exceso.

Es difícil conocer experimentalmente la masa de la materia activa S a ; sin embargo, puede medirse la masa de materias volátiles S v y la de materias totales (minerales y orgánicas) S t .

- Las necesidades teóricas de oxígeno pueden calcularse por la relación:

O 2 consumido = a'L e + b'S v

Pueden determinarse en el laboratorio (aparato tipo Warburg) los valores de a' y b'.

•  -La producción de fangos en exceso que resulta de la biomasa es:

AS v = a m L e - bS v

Si l e es la masa de DBO 5 eliminada en kg/día,

S v la masa de materias orgánicas en kg en el fermentador (o reactor biológico),

AS v se expresa en kg/día.

AS v /S v = a m (L e /S v ) - b

ecuación del tipo y = ax - b que permite determinar a m y b.

Nota: A esta masa de fangos en exceso, que resulta de la actividad bacteriana sobre las materias orgánicas biodegradables, debe añadirse la materia en suspensión (minera y orgánica inerte) existente en el agua que alimenta al reactor .

Características de un reactor biológico

Se denomina carga másica C m (o factor de carga) a la relación entre la masa de alimentación (DBO 5 o masa de materias volátiles) que entra diariamente en el reactor y la masa de fangos S r contenida en este reactor:

C m = L o /S t

Sería más real tener en cuenta las materias volátiles S v en lugar de las materias totales S t . Se definiría así una carga másica C' m . En efecto, si el fango contiene ß % de materias volátiles (u orgánicas):

S v = ßS t

y

C' m = L o /S v = L o /ßS t = C m /ß

De acuerdo con el uso más frecuente, se adoptará el valor C m para la definición de la carga másica.

Se denomina carga volúmica C v la masa de nutriente (DBO 5 o masa de materias volátiles) que entra diariamente por volumen unitario de reactor de capacidad V:

C v = (L o /V) kg/(d·m 3 )

En medio aerobio, si p es el rendimiento de depuración, en DBO 5 , el consumo de oxígeno y la producción de fangos orgánicos por kg de DBO eliminada, se deducen de las ecuaciones:

L e = p L o

O 2 Consumido/L e = a' + b'/pC m

AS v /L e = a m - b/pC m

Por kg de DBO eliminada, el fango en exceso producido será tanto menor, y la necesidad de oxígeno tanto mayor, cuanto más pequeña sea la carga másica.

El consumo teórico (o nominal) de oxígeno por kg de DBO, denominado por los anglosajones «OC/load» (teórico) varía, por tanto, con la carga másica.

Algunos autores utilizan la edad del fango, relación entre la masa de fangos presentes en el reactor y la masa diaria de fangos en exceso:

A = S t /DS t ó S v /DS v

La edad de los fangos es inversamente proporcional a la carga másica:

A = 1/(a m pC' m - b)

Nota: En medio anaerobio, esta relación se denomina tiempo crítico de retención de los sólidos (TRS = S v /DS v ) que no debe confundirse con el tiempo de retención hidráulica. A y TRS indican en cuántos días se renuevan los fangos.

Necesidad de elementos nutritivos

Los microorganismos, como los seres superiores, exigen una alimentación equilibrada. Se ha dado como composición global de las células sintetizadas, la fórmula:

C 106 H 180 O 45 N 16 P

El nitrógeno y el fósforo son, por tanto, elementos esenciales.

Las aguas residuales domésticas contienen una alimentación equilibrada, pero no sucede lo mismo con las aguas industriales, que generalmente son pobres en N y P.

Para conseguir una correcta depuración biológica de estos vertidos, es necesario, por tanto, añadir a los mismos nitrógeno y fósforo en forma de sales minerales asimilables, o nutrientes.

Efecto de la temperatura

Las variaciones de temperatura afectan a todos los procesos biológicos. Un aumento de temperatura acelera la velocidad de reacción enzimática.

Sin embargo, en medio aerobio, la temperatura actúa en sentido inverso en la disolución del oxígeno en el agua. El efecto resultante se define por la relación:

k 2 /k' 2 = THETA t' - T

k 2 y k' 2 son los valores de la constante k 2 a las temperaturas t y t' (ver pág. 98).

THETA varia según el sistema biológico y las cargas que le son aplicadas, entre 1 y 1,09.

Toxicidad. Septicidad

Numerosas sustancias tienen un efecto tóxico sobre la actividad de los microorganismos. Pueden dar lugar a una inhibición parcial o total de la depuración, según la naturaleza de la sustancia o su concentración.

Se denomina concentración bacteriostática la que bloquea temporalmente el desarrollo bacteriano, y concentración bactericida la que mata las bacterias.

Si la aparición de sustancias tóxicas, en dosis convenientes, se hace de una forma regular, puede darse una aclimatación de la flora bacteriana.

La presencia accidental de metales pesados: Cu 2+ , Cr 6+ , Cd 2+ , aun en cantidades pequeñas (0,1 mg/l) puede anular la acción de las bacterias.

Puede conocerse si un vertido es reciente o no, por su potencial de oxidación-reducción (fig. 48).

Durante su permanencia en los alcantarillados, las aguas usadas pueden entrar en putrefacción (ver página 976) bien sea porque reciben desagües de fosas sépticas, o porque el tiempo de permanencia es demasiado largo, y se crean sedimentos putrescibles.

Aeración

La aportación de oxigeno a un agua se efectúa por contacto intimo entre el aire y el agua. En la superficie de contacto de los dos fluidos, la capa límite monomolecular se satura de oxígeno desde el momento de su formación, al mismo tiempo que se inicia la difusión de gas hacia capas de agua más profundas.

La velocidad de difusión sigue la ley de Fick:

dm/dt = K L A dC/dt

La cantidad de sustancia d m que se difunde en la unidad de tiempo dt a través de una superficie de contacto A, viene determinada por la constante de difusión K L y por el gradiente de concentración dC/dt. Si las concentraciones se expresan en mg/l y la velocidad en mg/l.h, K L tiene la dimensión de h -1 . K L A se denomina coeficiente de transferencia .

Partiendo de esta ecuación, se define la capacidad de oxigenación C.O. de un sistema de aeración, como la cantidad de oxigeno, expresada en g/m 3 , suministrada, en una hora, a un agua pura, con un contenido de oxígeno constante y nulo, a una temperatura de 10 ºC y una presión atmosférica de 760 mm de mercurio.

Puede calcularse el valor de C.O. a partir de la ecuación siguiente:

dC/dt = 11,25 (1/t 1 - t 0 ) log ((C s - C o )/(C s - C t ) · Sqrt(k 10 /k t )

C s contenido en O 2 a saturación, en g/m 3

C o al principio de la experiencia, en g/m 3

C t al final del tiempo t

11,25 valor de saturación en O 2 , a 10 ºC, en g/m 3

t 1 -t 0 duración de la prueba, en horas

dC/dt = C.O. en g/(m 3 · h)

k 10 y k t : coeficientes de difusión, a 10 ºC y t ºC.

Fig. 48. - Diagrama potencial - pH de aguas contaminadas.

Fig. 49. - Variación del potencial de oxidación-reducción en una instalación de tratamiento (Hyperion).

Si se toman C s - C o = D o y C s - C t = D t déficit en O 2 en el instante inicial y en el instante t. se tiene:

C.O. = 11,25 x 2,3 (1/t 1 - t 0 ) log (D o /D t ) · Sqrt (k 10 /k t )

Si se lleva, sobre coordenadas logarítmicas, la relación entre D o y D t , se obtiene una recta, en función del tiempo, cuya pendiente tg alfa caracteriza la velocidad de disolución del oxigeno:

C.O. = 25,9 tg alfa · Sqrt(k 10 /k t )

La importancia de la aportación de oxígeno depende:

•  del valor de la superficie de contacto entre el aire y el agua y de su renovación;

•  del gradiente de oxigeno entre el aire y el agua;

•  del tiempo disponible para la difusión del oxígeno.

Los valores óptimos, en estas condiciones, tienen, a veces, limitaciones físico-técnicas.

Es muy importante el tamaño de las burbujas; sin embargo, tiene un limite inferior, ya que la burbuja de aire, que sale por un orificio bajo el agua, tiene un diámetro muy superior al de los poros: en la práctica, las burbujas obtenidas a partir de sistemas de aeración, por cuerpos porosos, tienen un diámetro del orden del milímetro. Las burbujas más finas se obtienen por expansión del agua saturada de aire a presión (procedimiento utilizado en la flotación).

El coeficiente de transferencia de oxigeno K L A , a igualdad de los restantes factores, es función de la naturaleza del agua (agua limpia, agua residual con materias en suspensión o disueltas; presencia de materias tenso-activas), del sistema de aeración empleado y de la forma geométrica del reactor.

En general, la comparación de los sistemas de aeración se hace según su capacidad de oxigenación por m 3 de agua pura y por hora. Se puede expresar también la aportación específica de un sistema por la cantidad de oxigeno suministrada por kWh.