1 INTRODUCCIÓN 3
1.2 Depuración anaerobia 21
1.2.1.1 Hidrólisis 22
En esta fase se produce la hidrólisis de sustancias orgánicas complejas (polímeros) en
materiales disueltos más simples (moléculas menores), los cuales pueden atravesar las
paredes celulares de las bacterias fermentativas. Esta conversión en materiales
disueltos se consigue gracias a exoenzimas excretadas por las bacterias fermentativas
hidrolíticas. La hidrólisis de los polímeros ocurre usualmente de forma lenta, y son
varios los factores que pueden afectar al grado y a la tasa en que el sustrato es
hidrolizado (Chernicharo & Machado, 1998): temperatura operacional del reactor,
DAVID DE LA VARGA CALVO 23 proteínas y grasas), tamaño de las partículas, pH del medio, concentración de
amoniaco y concentración de productos de la hidrólisis (ácidos grasos volátiles).
1.2.1.2 Acidogénesis
Las bacterias fermentativas metabolizan los productos originados en la hidrólisis en
compuestos más simples, como ácidos grasos volátiles, alcoholes, ácido láctico, gas
carbónico, hidrógeno, amonio y sulfitos, además del propio crecimiento bacteriano. En
la acidogénesis participa un gran y diverso grupo de bacterias fermentativas, como por
ejemplo las especies Clostridium y Bacteroids.
La mayoría de las bacterias acidogénicas son anaerobias estrictas, y cerca del 1% son
bacterias facultativas que pueden oxidar sustratos orgánicos por vía oxidativa.
1.2.1.3 Acetogénesis
Las bacterias acetogénicas forman parte de un grupo metabólico intermediario que
produce sustrato para las metanogénicas, y generan productos como hidrógeno,
dióxido de carbono y acetato. Durante la formación de los ácidos acético y propiónico,
aparece una gran cantidad de hidrógeno, lo que hace que baje el pH del medio. De
todos los productos metabolizados por las bacterias acidogénicas, apenas el hidrógeno
y el acetato pueden ser empleados directamente por las metanogénicas.
1.2.1.4 Metanogénesis
Es la última etapa del proceso global de la degradación anaerobia, en que bacterias
metanogénicas producen metano y dióxido de carbono utilizando como sustratos
ácido acético, hidrógeno, dióxido de carbono, ácido fórmico, metanol, metilaminas y
monóxido de carbono.
A parte de las fases descritas anteriormente, el proceso de digestión anaerobia puede
incluir otras fases, dependiendo de la composición química de los residuos. Cuando
estos contengan compuestos sulfatos y/o nitratos, se produce la oxidación de
compuestos orgánicos reducidos a dióxido de carbono y acetato por medio de
DAVID DE LA VARGA CALVO 24 La figura 1‐6 resume las distintas características de cada una de las etapas vistas, que
de manera simplificada se agrupan en tres fases (ácida, que involucra la hidrólisis y
acidificación, acetogénica y metanogénica).
1.2.1.5 Balanceenergético
El balance energético es muy complejo y en especial negativo para algunas bacterias,
por lo que resultan fundamentales, para la consecución del proceso, las relaciones
simbióticas que se establecen entre determinados grupos tróficos.
Figura 1‐6: Etapas en el proceso anaerobio de degradación
Por otra parte, la presencia de otros compuestos intermedios puede afectar, además,
a la acción de diferentes grupos tróficos mediante procesos de tipo inhibitorio o
mediante la modificación de las características fisicoquímicas del medio, el cual, a su
vez, también puede afectar decisivamente a la viabilidad de la operación de una
determinada etapa.
La reducción de los costes energéticos y de los costes derivados de la gestión de lodos
convierten a la digestión anaerobia en la alternativa más competitiva para el
DAVID DE LA VARGA CALVO 25 como muchos de los efluentes de la industria. En la figura 1‐7 se observan
esquemáticamente estas diferencias entre el tratamiento anaerobio y el aerobio.
Figura 1‐7: Cuadro comparativo entre el proceso aerobio y anaerobio (supuesta una conversión del 90%). Mediante el proceso anaerobio se puede obtener energía. Al mismo tiempo, la cantidad de lodos formados es cinco veces inferior, y más estabilizada que en el caso del proceso aerobio (Soto, 1994).
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1.2.1.6 Aspectoscinéticos
Los aspectos cinéticos que conviene tener en cuenta son la velocidad específica
máxima de crecimiento (μm), que explica la velocidad de crecimiento en condiciones
favorables de no limitación del sustrato; el rendimiento celular (Yχs), que indica la fracción de sustrato destinada al crecimiento celular; la constante de afinidad (ks) o
saturación, que indica la avidez de un grupo trófico por un determinado sustrato; y la
actividad específica máxima (rs), que indica la cantidad de biomasa en la unidad de
tiempo.
Las velocidades de crecimiento son ciertamente pequeñas y que, dado el bajo
rendimiento celular, la conversión de sustrato en masa celular es también pequeña, lo
cual condiciona una lenta velocidad de desarrollo microbiano. Esto es una ventaja
importante del proceso cuando se contempla bajo la óptica de la depuración de
corrientes residuales, al implicar una menor formación de lodo, que es necesario
eliminar.
La hidrólisis de las macromoléculas es la primera etapa de la digestión anaerobia. Hay
datos específicos sobre la hidrólisis de partículas esféricas de almidón como sustrato,
que permiten llegar a la conclusión de que, más que la concentración, en el proceso de
hidrólisis el parámetro fundamental es la superficie disponible de las partículas de
sustrato.
En la mayoría de los estudios cinéticos los investigadores consideran sólo una de las
etapas como determinante de la velocidad global del proceso. La elección de esta
etapa depende de la naturaleza del sustrato, de la configuración del proceso, de la
temperatura y de la velocidad de carga.
1.2.2 Parámetrosfisicoquímicos
Los tres parámetros de interés que conviene controlar en un digestor son el pH, la
temperatura y el potencial redox.
pH: Los niveles óptimos de actividad bacteriana se encuentran en un pH entre
DAVID DE LA VARGA CALVO 27 6,5 para las homoacetogénicas; y entre 6,5‐7,5 para las metanogénicas,
hidrogenófilas o acetoclastas. El pH óptimo para la mayoría de los
microorganismos que intervienen en la digestión anaerobia se sitúa en el
entorno de la neutralidad, entre 6,5‐7,5, El valor de pH determina, además,
otros parámetros importantes como la alcalinidad y la solubilidad del CO2,
Potencial redox: Los valores recomendados están por debajo de ‐350 mV,
aunque pueden operar de forma eficaz con valores de ‐200 mV.
Temperatura: Para el funcionamiento de las bacterias anaerobias, existen tres
zonas de temperatura: rango psicrófilo (5‐20 ºC), rango mesófilo (20‐40 ºC) y
rango termófilo (50‐70 ºC).
Los dos rangos de temperatura óptimos para la máxima actividad bacteriana anaerobia
son el mesófilo (alrededor de 35 ºC) y el termófilo (entre 55‐60 ºC). Al separarse de
tales valores la actividad de estos microorganismos disminuye y parece ser que esta
disminución se debe fundamentalmente a una falta de adaptación a las nuevas
condiciones.
Nutrientes: Para una buena operación en equipos de tratamiento anaerobio se
requieren los nutrientes necesarios para el desarrollo microbiano y la alcalinidad que
permita hacer frente, en lo posible, a las variaciones de pH del medio. Una de las
ventajas del proceso anaerobio es su baja necesidad de nutrientes derivada
lógicamente de la baja producción celular. La composición y el rendimiento celular de
cada grupo trófico determina la necesidad de nutrientes (nitrógeno y fósforo). Las
necesidades de nitrógeno de una población, una vez se conoce su rendimiento celular,
se expresa a través de la relación C:N, o a través de la relación DQO:N, si expresamos la
cantidad de sustrato como DQO.
Existen otros elementos traza considerados necesarios, como hierro, níquel, magnesio,
calcio, bario, tungsteno, molibdeno, selenio y cobalto (Pohland, 1992) que intervienen
en los sistemas enzimáticos de las bacterias acetogénicas y metanogénicas. La
composición de las ARU garantiza una cantidad suficiente tanto de los macronutrientes
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