Laguna aeróbica
En el tratamiento de las aguas servidas, se llaman lagunas aeróbicas o lagunas de oxidación, cuando se usa el oxígeno molecular disuelto como aceptador de electrones, el proceso es aeróbico y se conoce también como respiración aeróbica. En la forma simplificada:
Materia Orgánica + O2 -> H2O + CO2 + Biomasa
La oxidación biológica aeróbica es la conversión bacterial de los elementos, de su forma orgánica a su forma inorgánica altamente oxidada, en un proceso conocido también como Mineralización.
La mineralización o descomposición microbiológica del material orgánico de las aguas residuales en productos finales inorgánicos como dióxido de carbono, agua, nitrógeno amoniacal o nitratos, ortofosfatos y sulfuros es característica de la oxidación aeróbica de carbohidratos y lípidos; sin embargo, no se aplica a muchos compuestos aromáticos que tienen masa molecular alta, estado de oxidación alto y son estables bioquímicamente, como la lignina, materia húmica y muchos hidrocarburos aromáticos clorados.
Esquema de reacciones
Esquemáticamente, la conversión de los elementos de la materia orgánica a su forma inorgánica, mediante la oxidación aeróbica, se puede representar así:
- Corgánico +O2 --microorganismos--> CO2
- Horgánico +O2 --microorganismos--> H2O
- Norgánico +O2 --microorganismos--> NO3-
- Sorgánico +O2 --microorganismos--> SO4=
- Porgánico +O2 --microorganismos--> PO43-
La oxidación aeróbica se representa por la ecuación verbal:
- Residuos + Oxígeno --Bacterias--> Residuo oxidado + nuevas bacterias
Las tres reacciones esenciales del proceso: catabolismo, anabolismo y autólisis, ocurren simultáneamente y pueden describirse así:
- Catabolismo, oxidación o descomposición:
- CHONS (Materia orgánica) + O2 --Bacterias--> CO2 + NH3 + H2O + Otros productos finales +Energía
- Anabolismo, síntesis o asimilación:
- CHONS (Materia orgánica) + O2 + Energía --Bacterias--> C5H7NO2 (Células bacteriales)
- Autólisis, respiración endógena o autooxidación
- C5H7NO2 + 5O2 --Bacteria--> 5CO2 + NH3 + 2H2O + Energía
La fórmula C5H7NO2 representa la composición promedio celular bacterial sugerida por Hoover y Porges en 1952, ampliamente citada en la literatura.
Consideraciones ambientales
En todo proceso biológico, los organismos se desarrollarán apropiadamente si se les provee, básicamente, lo siguiente:
- Nutrientes suficientes
- Ausencia de compuestos tóxicos
- Condiciones ambientales apropiadas.
En general las bacterias requieren, principalmente, carbono, nitrógeno, hidrógeno y oxígeno; en menor proporción, fósforo, azufre, potasio, calcio, hierro y magnesio, y como suplemento nutricional cantidades mínimas de zinc y molibdeno. Comúnmente, las aguas residuales domésticas contienen los nutrientes requeridos para el crecimiento bacterial, pero algunos residuos industriales puede que no. En general se considera una relación apropiada de DBO/N/P de 100/5/1.
Muchas aguas residuales industriales contienen compuestos difíciles o imposibles de descomponer microbiológicamente, en estos casos es necesario utilizar procesos físico-químicos para removerlos. Algunos materiales como la lignina solo pueden ser descompuestos por bacterias especializadas y son resistentes a la utilización biológica. La celulosa se compone de unidades de glucosa, unidas por lo que se conoce como el enlace beta, el cual requiere para su hidrólisis la producción de la enzima celulosa. Solamente un número limitado de bacterias son capaces de producir la enzima celulosa. La tolerancia del crecimiento biológico bacterial y demás microorganismos a los compuestos tóxicos, como los metales pesados, es variable, según la biomasa, el tipo de proceso, el grado de aclimatación, el tipo de residuo y otros factores.
La actividad metabólica depende de muchos factores ambientales, es decir, de las condiciones de vida. Dependiendo de la especie y tipo de organismo, los factores ambientales aceleran, retardan o inhiben su crecimiento. Para cada factor, por ejemplo: intensidad solar, temperatura, pH, contenido de sólidos disueltos; existen límites dentro de los cuales los organismos se desarrollan apropiadamente.
En el tratamiento biológico, las enzimas o catalizadores bioquímicos son necesarios para la descomposición. La acción de las enzimas es afectada por la temperatura y el pH. En general, la mayoría de las enzimas requieren pH entre 3.5 y 9.5. Sin embargo, algunas enzimas tienen un pH de acción efectivo relativamente estrecho.
La temperatura del agua residual a tratar afecta la tasa de actividad biológica, los requerimientos de oxígeno en el proceso aeróbico, la producción de lodos y el volumen requerido por el reactor biológico.
La temperatura máxima para la actividad biológica aeróbica eficiente es del orden de 38.oC; para el proceso anaeróbico, en general la temperatura óptima es de 32-38.oC. El efecto de la temperatura sobre la tasa de reacción de un proceso biológico se determina, generalmente por la ecuación clásica:[1]
- Rt = r20.Ro^{T-20}
Donde:
- Rt = Tasa de reacción a ToC
- r20 = Tasa de reacción a 20.oC
- Ro = Coeficiente de actividad a la temperatura
- T = Temperatura en oC
Valores típicos de Ro[2]
- Ro = 1.04 para procesos de lodo activado.
- Ro = 1.08 para lagunas aireadas.
- Ro = 1.035 para filtros percoladores
La mayoría de los sistemas biológicos aeróbicos operan favorablemente con pH entre 6.5 y 8.5, valores superiores o inferiores a dichos límites deterioran la eficiencia. Los procesos de nitrificación requieren suficiente alcalinidad para reaccionar con el ion hidrógeno producido.
Ventajas y desventajas del sistema
| Ventajas | Desventajas |
| Ausencia de olores | Tasa alta de síntesis celular y por consiguiente alta producción de lodos. |
| Mineralización de todos los compuestos biodegradables | Requiere de energía eléctrica para oxigenación y mezcla. |
| - | Gran proporción de células en los lodos que hace, en algunos casos, necesaria su digestión, antes de secarlos y disponerlos. |
Referencias
- ADAMS C., FORD D., ECKENFELDER W., Development of Design and Operational Criteria for Wastewater Treatment, CBI Pub. Co., 1981.
- METCALF & EDDY, Wastwater Engineering, Treatment, Disposal and Reuse, 3a. ed. McGraw Hill, 1991.
Véase también
Bibliografía
- Romero Rojas, Jairo A. Lagunas de estabilización de aguas residuales. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. 1994 ISBN 958 8060 50 8