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Digestión anaerobia con reactores de biopelículas

PERIODO DE DIGESTIÓN EN DÍAS

IV.9 SISTEMAS DE TRATAMIENTO ANAEROBIO DE AGUAS RESIDUALES 1 Antecedentes

IV.9.4 Digestión anaerobia con reactores de biopelículas

Las tecnologías empleando el uso de las biopelículas son ampliamente aplicadas y más específicamente cuando las aguas residuales carecen de sólidos suspendidos. La formación de biopelículas permite alcanzar niveles significativos de concentración biomasa en el digestor (arriba de 50 g/l de peso seco).

La tecnología de procesos de biopelículas se ha desarrollado rápidamente en las dos anteriores décadas y es usada con frecuencia para tratamiento de aguas residuales. Una biopelícula se refiere a una estructura compleja de células y productos celulares, tales como polímeros extracelulares adheridos a una superficie sólida o sustrato. La inmovilización de bacterias u otros microorganismos puede alcanzarse de dos formas, artificial o naturalmente. Bajo condiciones naturales específicas, los microorganismos forman biopeliculas espontáneamente.

El crecimiento bacteriano sobre superficies es un fenómeno natural, porque muchos microorganismos en la naturaleza están asociados con superficies sólidas. En corrientes y ríos, una gran proporción de la actividad microbiana ocurre en películas adheridas. Esta actividad microbiana es responsable de la capacidad de autopurificación de los ríos por transformación y degradación de los compuestos naturales y antropogénicos en el agua. Los métodos artificiales de inmovilización de

70 células microbianas para determinados procesos de biopelículas, pueden ser clasificados en tres categorías como métodos de partículas acarreadoras, soportes con biopelículas entrampadas o partículas porosas en donde crece la biopelícula.

IV.9.4.1 Configuración de la biopelícula en los reactores

En la práctica, las biopelículas presentan fluctuaciones considerables en su espesor y cantidad de biomasa por área de soporte. Efectivamente, las biopeliculas crecen continuamente mediante el desarrollo de las bacterias y disminuyen mediante los procesos de erosión por fricción. En las biopelículas naturales, además de los procesos de difusión de sustrato y crecimiento de la biomasa, por ejemplo, ocurre desprendimiento de la biopelícula y la superficie de la biopelícula no es rígida. El desarrollo típico de las biopelículas ocurre de una forma sigmoidal, considerando cinco fases. Estas son: adhesión de los microorganismos a la superficie, fase de crecimiento exponencial, fase de declinación de crecimiento, fase de estabilización y repetición de recambio y renovación.

Por naturaleza, los microorganismos de una biopelícula, viven adheridos muy cercanamente unos de otros, por lo que proporcionan resistencia a la transferencia de masa de los sustratos disueltos. Las biopelículas no son siempre capas delgadas que cubran superficies sólidas generando unas formas lisas. Las biopeliculas, muy a menudo, llegan a tener formas filamentosas bajo condiciones de flujo de alta velocidad. Su estructura está influenciada por fuerzas cortantes externas, perfiles de difusión internos, y competición microbiana. Las fuerzas cortantes sobre la biopelícula determinan el espesor de la biopelícula y también la estructura de su superficie. En muchos reactores de biopelícula, las fuerzas cortantes no son uniformes. Esto ocasiona una formación no uniforme de la biopelícula en tales reactores.

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IV.9.4.2 Principios de las biopelículas

Las biopelículas crecen sobre la superficie de un medio consumiendo sustratos de la fase líquida con la cual están en contacto. Estos sustratos son la materia orgánica, oxígeno, elementos traza, etc., requeridos para la actividad biológica. La totalidad de los procesos de utilización de sustrato por biopelículas, puede ser concretamente descrita por los tres pasos principales siguientes:

Transporte de sustrato de la fase líquido hacia la superficie externa de la

biopelícula,

Difusión del sustrato dentro de la biopelícula Consumo del sustrato dentro de la biopelícula.

El primer paso es el más importante y el limitante, aunque es un fenómeno puramente físico porque. En condiciones estables de la fase estacionaria la velocidad de todas las reacciones de los pasos dos y tres es siempre dependiente y similar a la velocidad limitante del primer paso.

La materia orgánica coloidal o suspendida no puede ser difundida dentro de la biopelícula directamente. Primero estos deben ser hidrolizados y transformado en sustancias orgánicas solubles de bajo peso molecular, a fin de que el proceso de difusión tome lugar. Los productos finales del metabolismo anaerobio serán a su vez transferidos en sentido contrario, es decir hacia la fase liquida. Cuando algún nutriente esencial para los microorganismos es ausente, las reacciones biológicas serán afectadas tanto en la reacción que en su cinética. Por lo tanto, si alguno de éstos nutrientes está agotado a una cierta profundidad de la biopelícula, las reacciones biológicas no ocurrirán a esa profundidad.

De este modo, las primeras sustancias agotadas, determinan la profundidad o el espesor de la biopelícula. Estas sustancias son llamadas factores limitantes. Sin embargo, es poco probable que algunos nutrientes tales como el nitrógeno, fósforo

72 y otros metales traza lleguen a ser limitantes, ya que en muchas aguas residuales se encuentran en exceso.

IV.9.4.3 Microbiología de las biopelículas

Las biopelículas son conocidas como estructuras complejas de células microbianas y polímeros extracelulares. Todos los microorganismos naturales de las aguas residuales (municipales o industriales) pueden encontrarse en biopelículas alimentadas con estas. Sin embargo, el gradiente de difusión dentro de la biopelícula influirá sobre la velocidad de crecimiento y desempeño de los diferentes microorganismos. Se considera que los microorganismos de lento crecimiento (por ejemplo, nitrificantes o microorganismos creciendo en xenibióticos) serán encontrados en sitios más profundos en la biopelícula que los heterótrofos de rápido crecimiento.