Importancia de l a s relaciones biologicas Relaciones de energía Transformaciones b i o q u h i c a s

R E P O R T E F I N A L

ufv4-1

J NOPlBRE: ALFREW LOPEZ CHAPARRO

TEL. : 3 58 1 2 43

MPTR I C UL A : 8 O 3 3238 3

CLAVE: 23.3.58 - 8 6

JCARRERA:

INGEN IERIA BIOQUIMICA IN DUSTRIAL

TRIMESTRE8 12O

HORAS SEMANA: 20 HORAS

LUGAR DOKDE SE LLEVO A CABO: INSTITUTO SEDUE. -Departanento de

E c o t e c n a i o g í a s .

I n v e s t i g a c i ó n de

FECHA DE INICIO: l o . de Septiembre 1986.

/FECHA DE TERRINACION: I o . de Octubre 1 9 9

LJUTOR:

ING. ALEJANüRC! VERAZA ZAVALA.

-

Encargado d e l & e a de Residuos S¿lidos en

el

I n s t i t u t o

SEDUE

.

4 I T U L O

DEL

FROYECTO: CINETICA BIOQUIMICA DE SISTENAS DE DIGESTION

ALUMNO:

- -

. -

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I N D I C E

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IN DICE

P-. 9.- C I N E T I C A BJOPUIMICA DE SISTEFlAS DE DIGESTION AEROBICA

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8.- INTRODUCCION

Microorganismos y desechos

microorganismos y contaminación

C.- CBJETIVO

D.- ACTIVIDADES A DESARROLLAR

E.-

PROCESO

flicroorganismos y tratamiento de desechos Procesos de tratamiento de desechos

Demanda Bioqufmica de Oxfgeno (BOD) P r i n c i p i o s de l a oxidación b i o l ó g i c a

Relaciones matemáticas Procesos continuos Floculación b i o l ó g i c a

Resumen de l a c i n é t i c a de l a biooxidación Bio-oxidación de compuestos puros

C4RACTERYSTICAS E LOS LODOS B I D L O G I C O S ü t i i i z a c i ó n de oxígeno

Respiración endógena

Variación en l a captación d e l oxfgeno Concentración de oxfgeno

medición de l a velocidad de u t i l i z a c i ó n del oxígeno Producción de lodos y l a oxidación

Requerimientos nutricioneles Efecto de l a temperatura Efecto del pH

Toxicidad

R E A c c m E s BiowImIcns

Importancia de l a s relaciones biologicas Relaciones de energía

Transformaciones b i o q u h i c a s

NUTAIENTES Y RASA CINETICA

Crecimiento continuo Sistemas no recirculados Recirculacidn de s 6 l i d o s Inhibición

Separación de l a s f a s e s de crecimiento Comparacion de ecuaciones

4piicación a l o s desechos a g r i c o l a s

PROCESOS DE _{TRATAflIENTO BIOLOGIC0 REROBICAMENTE DE DESECHOS}

Lagos y estanques de e s t a b i l i z a c i ó n Estanques de oxidación

Estanques f a c u l t a t i v o s

Estanques de a l t a velocidad Lodos activados

F i l t r o s de escurrimiento

Proceso aeróbico a a l t a temperatura

-

Composteo l í q u i d o Composteo sÓ li do

Ket6doc de composteo

Composteadores de f l u j o continuo GLOSARIO

DISCUSION Y COKCLLISJON

81 BLIOGRRFI A

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A * - C I N E T I C A BIOQUIMICA OE SISTEMAS DE DIGESTION AEROBICA

1

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I

B.- INTRODUCCION.

mICRCORGANISMOS Y DESECHOS.

Ketabolismo Microbial. Microorganismos, son organismos de tama- ño microscópico y se encuentran en diversos ambientes. E l más pe-- queño de estos organismos e s l a bacteria, l a c u a l puede v i v i r en a! bientes c a s i de congelación como de e b u l l i s i b n d e l agua, es e l más- importante desde e l punto de v i s t a contaminación y de tratamiento

-

de desechos, puede v i v i r con o s i n oxígeno, un medio sin oxígeno es llamado anaeróbico y l a s b a c t e r i a que viven en 61 son anaerbbicas. Otro microoganismo e s e l protozooa, é s t e es generalmente

más

grande que l a s bacterias, son v i s i b l e s como pequeños puntos, de forma más- complicada, con boca y ano y depredadores de l a s bacterias, también queden ser anaerdbicos o aeróbicos, estos Últimos son importantes

-

en e l tratamiento de desechos. También se pueden encontrar mohos y hongos, éstos pueden v a r i a r de tamaño, desde l a forma microscópica- de l o s mohos en l o s quesos, a l a s muy grandes formas como l o s cham- pinones. Finalmente encontramos a l a s e l g a s que son plantas y vari

-

an de tamaño, como es e l microscópico limo de l o s estanques, o de

-

gran tamaño como l a s marinas, l a s cuales pueden c r e c e r hasta 20 o 30 f t . Estos organismos dependen grandemente de l a luz, a diferencia- de otros que pueden c r e c e r en l a obscuridad o algunos que pueden

-

s e r muertos por l e l u z b r i l l a n t e .

L o s organismos involucrados en l a contaminación y tratamiento de desechos, son principalmente l a s formas microscópicas, l a s cuales

-

son generalmente c é l u l a s simples que no se pueden ver a simple v i s t a .

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si

l a colonia de bacterias e s t á contenida en agua e s rápidamente v i - s i b l e en forma de turbidez o en forma de nata en l a s u p e r f i c i e del

-

1

f

qu i do.

Algunos microorganismos como l o s mohos crecen como filamentos l a r

-

gos y l a masa de éstos s e hace v i s i b l e . Las a l g a s microsc6picas se- dividen y se esparcen sobre l a s u p e r f i c i e d e l agua y l a masa r e s u b - tante de millones de c 4 l u l a s s e hace v i s i b l e como una nata de color-

verde.

Asf, aunque e l organismo s i p l e es microsc6pico en masa es v i s i b l e . De i g u a l manera, e l efecto d e l metabolismo de un s o l o microorganismo es i n s i g n i f i c a n t e , l o s efectos conbinados de millones es perceptible.

microorganismos de cualquier forma de vida no pueden s u b s i s t i r

-

s i n agua, de i g u a l forma tarnbíen necesitan s a l e s minerales de sodio, c l o r o , magnesio,calcio, f o s f a t o s y s u l f a t o s . Como todo s e r vivo re-- quiere su alimento en r e l a c i ó n a su peso y tamaño, a s f , millones de- bacterias pueden tomar l a s s a l e s d i s u e l t a s e ) e l agua, en l a madera u otro material sobre e l cual esten creciendo.

Por

lo

tanto l o s microorganismos necesitan alimento como una fuen

t e de energía para su crecimiento. Las c é l u l a s microbiales consis-- ten de protefnas, grasas ( l f p i d o s ) y carbohidratos de varias c l a s e s , junto con ácidos nucleicos l o s cuales pasan l a información genética de generación en generación, y de o t r a s substancias. Todos l o s com- puestos a n t e r i o r e s estan formados de cadenas de carbono, hidr6gen0, oxígeno y nitrógeno que son obtenidos del alimento, uniendo estos e lemantos por diferentes vías metabolicas forman moléculas de l a s

-

cuales están formados l o s materiales c e l u l a r e s .

Algunos s e r e s vivientes (todos l o s superiores) consumen l o s nu--

* t r i e n t e s ya sintetizados, proteinas,etc., l o s cuales se absorben en e l t r a c t o d i g e s t i v o y son d i s t r i b u i d o s en e l cuerpo. muchos otros- Organismos (microorganismos) tionon amplio poder de s f n t e s i s de pro. t e f n a s y otros constituyentes de l a c é l u l a y pueden vivir sobre un- compuesto Sfmple. Las a l g a s verdes toman de alimento a o t r a s plan- tas, no a s i l a s bacterias que pueden s i n t e t i z a r todos sus aminoáci- dos y por l o tanto sus proteínas a p a r t i r de amoníaco, agua y azuca r e s .

La s í n t e s i s d e l material c e l u l a r de l o s microorganismos necesita

-

-

tambfen de energla. La a l g a mietobópica usa' l a l u z s o l a r como

-

fuente de enefgfa como l a s demáe plantas. Pero l a mayoria de 10s- microorganismos u t i l i z a n azucares como fuente de energfa combinan- dolo con e l oxfgeno, en e s t e proceso l o s azucares son quemados rá- pidamente y hay desprendimiento de energfa en forma de c a l o r , este proceso es una s e r i e de reacciones controladas que puede interpre- t a r s e de l a s i g u i e n t e forma:

.

C6H1206 (glucosa)

+

602-? 6C02+ 6H20

Por ejemplo,

si

l o s microorganismos pueden obtener energfa d e l pe-

t r ó l e o o a c e i t e s hidrocarbonadoe, l o s c u a l e s tienen fórmula de; CH~-CH~'CH~-CHZ-, l a u t i i i z a c i 6 n de Q s t e sustrato necesitar$ gran cantidad de oxígeno;

CH3'CH2-CH2-CH3 + BO2 ---e

5coz

t 6H20

Esta combinaci6n de oxígeno, hidrógeno y compuestos, es llamada oxidación, que e s l a fuente de l a vida aeróbica.

En u n ambiente anaeróbico l a s b a c t e r i a s anaeróbicas usan o t r a

-

forma de oxidación para obtener energía, que es p o r transferencia- de hidrógenos de un compuesto a otro, é s t a transferencia toma lu-- Gar durante l a

serie

de reacciones de l a s cuales surge e l producte

f i n a l .

En e l caso de l a bacteria que usa azucares -glucosa-

,

l a rea-- ción conduce a l a formación de varios ácidos o alcoholes, C02, _H20 o _H2; aunque en algunos casos e l agua o e l _C02 pueden s e r tomados- en forma p a r t i c u l a r de o t r o s productos.

Hay muchos t i p o s y especies de bacterias, algunas pueden formar u n producto, o t r a s uno diferente o una mezcla de productos caracte

-

r f s t i c o s de l a especie. Por ejem., l a glucosa

ácido acético o l á c t i c o :

CH6Hq206

+

2H60 ---) 2CH3COOH

+

2C02

se puede romper en-

+ 4H2

'-I' '6 H 12 O 6

----+

2CH3CHOHCGOH.

o en acético más l á c t i c o :

o en a c é t i c o

+

propiónico

+

fórmico;

C H O

----,

CH3-COOH 4 CH3-CH2-COOH

+

HCOOH.

6 12 6

o en alcohol e t f l i c o ;

un

co

En algunas bacterias e l hidrdgeno es combinada con e l oxfgeno da compuesto inorgánico y forman agua.

L a b a c t e r i a reductor8 de s u l f a t o s puede v i v i r sobre ácido 1bct.í- o s a l e s de s u l f a t o ;

2CH3-CiiOH-COOH + Na2C04---+ 3CH3-COOH

+

Ma2S

c H20

+

2Co2.

E l ácido l á c t i c o también puede s e r usado por algunas bacterias- para formar ácido acético y propfonico;

2CH3-CHOH-COOH---+ CH3-COOH L CH3-CH2-COOH + COZ+ H2.

Hay gran variedad rle bacterias que pueden u t i l i z a r diferentes

-

substratos, t a l e s como; glucosa, ácidos, amoníaco, sulfatos, n i t r a

-

tos, etc., e s decir, no son especializadas en determinado substra- to. Pluchas son v e r s é t i l e s y pueden cambiar su metabolismo de acu- erdo a l a presencia de oxígeno y producir diferentes compuestos,

-

estas b a c t e r i a s son llamadas anaeróbicas f a c u l t a t i v a s . La h a b i l i - dad de algunas becteriaa para usar e l oxfgeno, es una parte impor- tante en l a vida microbiana en general.

Así, como l a glucosa f u e mencionada como u n substrato primario- del c u a l l a s b a c t e r i a obtienen su energfa por medio d e l metabblie- mo, a excepto de algunas plantas, l a glucosa simple en l a naturale

-

za no existe, s e encuentra en forma de p o l h e r o s llamados p o l i s a c á

-

ridos, ya que l a glucosa es un monosacárido. E l almidón y l a celu l o s a están formados de cadenas de cientos de moléculas de glucosa- unidas entre si. La forma por l a c u a l l a s moléculas de glucosa e s tán unidas e s l a d i f e r e n c i a entre e l almidón y l a celulosa.

Las bacterias toman l a glucosa rompiendo grandes cadenas de po- l i s a c á r i d o s por medio de l a acción enzimática.

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A l i g u a l que l a s b a c t e r i a s necositan energfa, tambíen necesitan materiales nitrógenados, de l o s c u a l e s construiran sus protefnas- y otros materiales que necesiton nitrógeno. Las proteínas son

-

compuestos de cadenas de d i f e r e n t e s c l a s e s de aminoácidos unidos-

en d i f e r e n t e s ordenes y configuraciones que dan l u g a r a l o s d i v e r

so8 t i p o s de proteínas, algunas de 6stas t i e n e más o menos aminoá

-

c i d o s partf.culeres en l a cadena.

.

S U S iiminoácidos, algunas podran necesitar una amplia variedad de-

aminoácidos eumisntrados en sus alimentos como l o hacen l o s anima

l e s superiores, o t r o s s o l o algunos y podran s i n t e t i z a r e l r e s t o

5

p a r t i r d e l nitrdgeno d e l amonf aco. Algunas o t r a s pueden siritetir zar todos sus amirioácidos y s o l o necesitan una fuente de nitróge- no. Colo algunas b a c t e r i s tienen l a capacidad de degradar l a s pro t e f n a s como fuente natural de aminoácidos. Tambfen hay bacterias

que además de degradar l a s proteínas en aminoácidos, pueden de-- gradar kstos mismos para formar amonfaco y ácidos grasos, t a l e s

-

como e l ácido acético o s i m i l a r e s pero de mayor peso molecular. E l amoníaco formado puede s e r u t i l i z a d o por o t r a s bacterias de l a población mixta. Pocas bacterias pueden u t i l i z a r e l nitrtigeno g a Seoso del a i r e para s i n t e t i z a r sus protefnas, estas bacterias son l a s f i j a d o r a s de nitrógeno, e l cual es primeramente convertido en amonfaco y de a h í s i n t e t i z a n sus proteínas.

A l i g u a l que l a s proteínas, algunas bacterias pueden sinteti-- zar sus o t r o s nutrientes, pero o t r a s no.

Asf, l o s microorganismos desempefian un papel muy importante en e l c i c l o de l o s s e r e s vivientes, tanto plantas como animales. Y aunque l a a c t i v i d a d t o t a l y metabolismo microbial en e l mundo pro

-

bablemente e s t e l e j o s de cxceder a l de l a s plantas y animales su- periores, porque muchas veces pesan i n a r v e r t i d a ya que sus pro-- duct08 son inocúos, como e l C02, o l o s producen en pequeiías can-- tidades y son rápidamente d i l u i d o s p o r e l a i r e o agua y no pueden

s e r detectados. Rlgunas veces l o s productos :,e acomulan natural- mente y toman su fcrma conocida.

8

mICROIJRGANICM0~ Y CONT AMINRC ION *

'In algalnas condiciones e l Crecimiento microbial se hace excesi- vo y es v i s i b l e en forma y olor,"fuego humedo" en l a s minas, gas

-

natural, a c e i t e , etc., son l o s resultados de una vasta descomposi- c i d n microbial de l a vegetación. Estos resultados de l a antigua a$ c i ó n microbial son Ú t i l e s , pero hoy en d í a son generalmente una

-

contaminación.

E n e l campo, l a excreta de l o s animales de granja se convierte en u n Ú t i l f e r t i l i z a n t e , ya que l a acción microbiana l a convierte en sustancias no tóxicas, l a s cuales l a s plenfas puedan u t i l i z a r

-

fácilmente. Esto e s p o s i b l e distribuyendo apropiadamente l o s dese

-

chos para tener una acci6n microbiana controlada sobre los mismos.

Aunque algunos microorganismos pueden v i v i r en condiciones muy- ácidas o a l c á l i n a s , e l t i p o de microorganismo adecuado en l a des--

composición de l o s desechos de animales puede vivir en condiciones poco ácidas o neutrales, Por l o a n t e r i o r , s i l o s productos del

m a

tabolismo son ácidos o a l c á l i n o s , l o s microorganismos son gradual-- mente muertos y e l suelo puede quedar e s t é r i l , entonces estos pro- ducto perrnaneceran en e l suelo por l a r g o s períodos y t e l e s condi-- ciones son desfavorables para l a vida vegetel.

Una gran descarga de desechos de animales no solo a f e c t a a l a

-

vida microbial y directamente a l suelo, sino que tambfen puede a--

f e c t a r r i o s y l a g o s , y a que l a gran cantidad de alimento microbial

, a c e l e r a l a a c t i v i d a d a u n grado fuera de lo normal, 01 metabolismo acelerado u t i l i z a e l oxígeno tan rápido como pueda difundirse en

-

e l medio acuoso, por

l o

consiguiente l a vida acuática e s grandemen

afectada, o t r o f a c t o r e s

el

crecimiento acelarado de a l g a s en l a

-

s u p e r f i c i e de agua e impedir l a penetración de l a luz. Tambfen l a acumulación de los productos de desechos como netsno, &idos etc., pueden c o n v e r t i r e l agua e s t é r i l con plantas y animales muertos y l a vida microbial abandonada.

Estos casos son extremos, pero pueden pasar en varios grados,

-

especialmente s i el medio l í q u i d o e s u n estanque, laguna o corrien

-

t e con pequeño f l u j o natural.

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. .

-_

9

Pero e l problema Yealmente son los desechos de l a industria, de

municipios,

por

nombrar algunos. Tambfen Q1 exceso en l a a p i i c a c i -

6n de f e r t i l i z a n t e s a r t i f i c i a l e s , que pueden c a u s a r ur.i.-crecimiento acelerado en l a s c o r r i e n t e s de agua de microorganismos debido a

-

los nutrientes como f o s f a t o s nitratos,etc., contenidos en l o s f e r -

t i l i z a n t e s mencionados.

S i n embargo, toda c l a s e de desechos son f a c t o r e s quo pueden i n -

crementar e l crecimiento microbial, l a excreta animal presenta gran p e l i g r o desde e l punto de v i s t a salud, y a que é s t e aparte de con-- tener r e s t o de alimento que no s e absorben, mucosa, etc., contie--

nen bacterias que viven en e l i n t e s t i n o _y productos metoboiicos de

l a s mismas, aunque eigunos son inocúos, o t r o s s i son de p e l i g r o

-

como son l a s bacterias patbgenas, probablemente l a mayoria de 10s

animales contienen pequeñas cantidades de estas bacterias como l a Calmonela o c i e r t o s t i p o s de E. c o l i , que a l ser expulsadas en l a s heces mueren, contrariamente muchos animales estan grandemente i n -

fectados de b a c t e r i a s pat6genas y Fueden contaminar u o t r o s anima-:

l e s y posiblemente a1 hombre mimo. -

. . -

E l incremento en l a densidad de granjas, producción de animales

y de casa habitaciÓn,ha incrementado e l uso de agua de l o s r i o s na turales, sustituyendo en parte e l a g u a potable, incrementando los- p e l i g r o s que representa l o s desechos de l a c i v i l i z a c i ó n .

Coilo s e ha v i s t o los erectos Uañinos de l o s desechos ison da--

dos por l a acción d e

los

nicroorganismos contenidos en l o s dese---

chos y que crecen generalaente e n los mismos. L a s bacterias pató-

genas pueden s e r destruidas, pero tambfen se destruirian ... las poten

-

Cial!nente ú t i l e s o ino”encivas cl‘n esto los desechos no serian a--

probachables.

Pero

tambfen l a acción de l o s inicroorganisriioo pueEe

ser cont.rolada, de & . t e modo l o s patógenos se pueden destruir par-

cialmente, s e e v i t a r i a n los o i o r c s molestos y a i misrno tiempo se-

cambian l a s prcpiedades f i s i c a s de l o s desechos hacieridolos dispo

-

n i b l e s para e l suelo.

',

C.- OBJETIVO.

-

_{Determinar l o s}

de l o s procesos de y su aplicación en P -

r. p a f s .

f a c t o r e s que i n f l u y e n en l a c i n 6 t i c a bioqufmica digestión aerbbica, a s f como evaluar el proceso e l problema de l a contaminación ambiental en e l

D.- ACTIVIDADES A DESARROLLAR. -Recopilación de información.

Se buscará información en l i b r o s , a r t í c u l o s y t r a b a j o s experi- mentales r e a l i z a d o s dentro d e l I n s t i t u t o SEDUE, en e l p a l s o en- e l extranjero.

- A n á l i s i s de l a informacibn.

Después de recopilada l a información, s e a n a l i z a r á minuciosamen

-

t e con a s e s o r í a d e l t u t o r para seleccionar l o más Ú t i l para los- f i n e s que s e persiguen con e l t r a b a j o en d e s a r r o l l o .

-Desarrollo d e l proceso de digestión aerbbica.

E.- PROCESO.

RICROORGKNISfiDS Y TRATAmIENTO DE DESECHOS.

Hay varios metddos para d e s t r u i r l o s microorganismos en l o s de-

sechos y disminuir l a contaminación y a l mismo tiempo aprobechar

-

l o s nutrientes de l o s mismos.

E l c a l o r o productos qufmicos matan l o s microorganismos pero de

-

ben e s t a r en contacto por un periodo l a r g o , y como l a cantidad de- desechos es muy grande, e l suministro de productos químicos o de

-

c a l o r debe s e r proporcional a l volumen de l o s desechos, y ésto e s en l a mayoria de l o s casos i n c o s t e a b l e y a l mismo tiempo l o s r e s i - duos de l o s productos qufmicos pueden ser contaminantes.

Otro metódo puede s e r l a combustidn t o t a l de l o s desechos, e s t a combusti6n d e j a cenizas inorgánicas l a s cuales continen algunos m i

-

n e r a l e s que son boneficos para e l suelo, pero no todos l o s desechos se pueden quemar ya que algunos contienen demasiada agua.

Gtros metódos de tratamiento estan basados en disminuir e l cre- cimiento microbial e l cÚal es l a base de l a contaminación, es de-- c i r , es controlado en sistemas, d a esta manera muchos materiales- nosivos son degradados, esto disminuye l a contaminación aunque no-

es bioldgicamente i n e r t e .

a l a a c t i v i d a d nicrobiana en e l suelo, l a c ú a l es muy benefica pa- r a e l mismo, o'sta e s l a base para una buena a g r i c u l t u r a aprobechag

do l o s desschos, aunque e l estado óptimo ne sea alcanzado.

E l tratamiento microbian0 controlado ha sido l a base para e l ir : tratamiento de desechos dom6sticos por muchos años.

En grandes plantas de tratamiento de desechos s e u t i l i z a n l o s

-

dos sistemas de tratamiento, aeróbico y anaeróbico, pero en plan-- t a s pequeñas s o l o e l aeróbico es usado.

Existen modernos digestores para e l tratamiento de aguas resi-- duales domásticas mediante procesos combinados aerbbico-anaeróbi- co, e'sto es, e l primer tratamiento a s aerdbico y l o s lodos prima-- r i o s que r e s u l t a n de & t e tratamiento son sometidos a l proceso ae- rdbico, esto e s por l a razón de quo estos productos son todavía

-

muy contaminante y a s í s e desactivaran muchas o t r a s materias nosi-

vas.

-

1

----_

I

-E l rompimiento aerdbico de materiales orgdnicos necesita de a i -

t a s concentraciones de oxfgeno,

en

l a mayoría de l o s desechos e l

-

oxígeno necesitado para l a combustidn microbiana es proporcional

-

a l peso d e l material, por l o quo p a r a grandes cantidades de dose-- chos se necesitan grandes concentraciones do oxígeno.

Como se ha v i s t o l o s microorganismos u t i l i z a n rápidamente e l

m a

t e r i a l simple en solución, s i e l material esta en forma de P O l í m Q -

r o

y no está en solución, l a velocidad de degradaci6n d e l mismo es

-

t a en función de l a rapidez de los organismos en cubrir t o d a l a su

-

p e r f i c i e y a t a c a r l a p o r rnedin de l e acción enzimatíca, u n material

en grandes pedazos es más d i f í c i l de degradar que uno en pequeño

-

f ragmeritos.

E l agua residual doméstica, contiene tarnbíen agua de l l u v i a que

forma arroyos, por l o que l o s desechos humanos estan grandemente

-

d i l u i d o s y estan en suspensibn, pero p a p e l u o t r o s desechos cstan- en solución.

Una p r i n c i p a l razón de l a s grandes cantidades de lodos produci- dos en l o s procesos aeróbicos, e s l a de que el metabolismo suminis

-

t r a grandes cantidades de energía para e l crecimiento b a c t e r i a l ,

2

s í , solo una pequeña p a r t e d e l sustrato es para energía y el r e s t o

Los mjcroorganismos en e l l o d o residual tambíen e s capaz de con

-

t i n u a r su crecimiento y metaboljsmo, s i e l loclo es expuesto a l a i - r e puede provocar condicionus indeseables.

De

o t r a manera, s i e l -

l o d o es puesto en p i l a s o en cepas gruesas,los microorganismos a-- naeróbicos pueden entrar en acci6n y p u t r e f a c t a r l a masa do lodo

-

r e s i dual.

En e l tratamiento de l a s aguas rediduales, para a p l i c a r s u f i c i -

ente oxígeno y mantener y r á p i d o metabolismo bacteriano se necesi- t a n complicados agitadores y equipo de aspreado con compresoras de a l t a velocida, t a l e s apzratos son c a o s y consumen demaciada ener-

gSa, por esta r a z ó n e s t e t i p o de a p a r a t o s no son convenientes para

e l t r a t a m j ento de desechos a pcqueza escala.

Las c a r á c t c r i s t i c a s contamindntes de las aguas residuales pue-- den ser c l a s i c i c a d a s deacuerdo a su estado (suspencibn, c o l o i d a l , -

y disueto) y a S u n a t u r a l e z a ( orgbnica e inorgánica

).

Las p t i n

-

c i p a l e s c a r á c t e r i s t i c e s de los desechos orgánicos son generalmen-

t e l a cantidad de s ó l i d o s suspendidos y e l contenido orgánico. E l contenido orgdnico e s medido en términos de equivalencia de oxígeno por medio de l a prueba de BOD. E l _BOD puede ser definido como l a cantidad de oxfgeno requerido durante l a estabilizacibn- de l a materia orgánica e inorgbnica oxidable por l a accidn b i o l ó - g i c a aerbbica. En e l caso del agua r e s i d u a l municipal,

la

densi-

dad de coliformes es s i g n i f i c a n t e , aunque e s t e f a c t o r no s e pro--

senta en muchos desechos industriales. Las c a r á c t e r i s t i c a s ante- r i o r e s son usadas como c r i t e r i o de l a calidad d e agua en el rece@

t o r de l a corriente. C a r á c t e r i s t i c a s de algunos desc-chos ocgáni

-

COS son mencionadas eri l a t a b l a K O 1.

TADLA 1 C ,"

R

iP.CT E

H

I CT

IC

A S DE RL G UP! C C DE CjK C HC! S G '?GAR

I

CO

S.

Desechos

Agua r e s i d u d P u l p a y p a p e l Lecheriaz Conservas

Envases c a s e r o s Lavanderi as T e x t i l

Cerveceria.

Sólidos sus-

pendidos, p.p.m. 100-U00

75-700

525-550

"1-Y500

6 50- 930 400-1 OOC ?>00-2000

245-650

BC D,

p.p.m. 100-300

--

800-1 5 0 0

240-6000

900-22oc 3OC-1 OOC 200-1 O000

420- 1200

P H

7.9-9.5

7.6-9.5

5.3-7.8 6.2-7 6

--

--

--

5.5-7.4

L a cantidad como l a s c a r b c t e r i s t i c a s de los desechos e s inipor-

tante p a r s d e f i n i r l a problenatica de l a contaninacibn.

Llnn fnspeccibn de los Ocsechos i n d u s t r i a l e s e s requerida p a r a -

d e f i n i r las c c r á c t e r i s t i c a s contaminantes, l a frecuencia de l a

-

nuestra e s dependiente d e l proceso, ya sea continúo o por l o t e s .

Papel

-,.

C u r t i d o

CAKTIDRDES DE AGUAS DE

PROCESOS

RCFRECENTSTIVOS.

12000-15000 g a l / t o n . de p u l p a de

25000-30000 gal/ton de a l t o grado.

8-1 O g d / p i e,'di a

papel.

Carne ( r a s t r o ) Ganado 400gai/aniaal

Cerdo I 50gai/animai

(empacado) Ganado 23009 ai/anin a i

Sons e r vas

Leche

T e x t i l

I. "

&"

G a s o l i n o r i o

c-.

--

*-

.*

L..

P-3

I.

.

Cerdo

Granos Glubias Calabazas Peras Torn a t e s

p u r c

Cortado Teiíido

-

_{i o r v i c i o}

de lava-

do

7 009 ai/anirnai

40ga1/20 l a t s s

70ga1/20 l a t a s

ZOgai/ZO l a t a s

~ 0 g a 1 / 2 0 i o t a s 50gz1/20 l a t a s

25ga1/20 l a t a s

100-300ga1/1 O0

Ib.

de leche

3000-4000ga1/1 O0 l b de algodon

250-2000ga1/100 l b de algodon

GOOOOgL1/l O00 g a l

- . . .

15

r ”

PROCESOS DE TRATAfiIENTO

DL

DESECHOS.

E l tratamiento de l o s desechos orgánicos generalmente puede ser

c l a s i f i c a d o en t r e s pasos: Pretratamiento, oxidación y tratamiento de lodos y disposición de los mismos.

E l pretratamiento, puede emplear e l tamizado, sedimentación P l o tacidn y eliminación de a r c i l l a . E l tamizado es empleado en e l

-

caso de que l o s desechos tengan grandes sólidos, l o s desechos do-- mésticos contienen demaciada l a t e r i a

,

e s u n ejemplo t í p i c o de 85- t e tratamiento. Cuando l o s desechos contienen s ó l i d o s inorgánicos en suspensión, una camara de a r c i l l a es u t i l i z a d a como una separa-

c i ó n

p r i m a k i a , pero ea algunas ocacionss tambíen puede u t i l i z a r s e - l a sedimentación y f l o t a c i ó n , estas operaciones disminuyen l a car- ga orgánica f a c i l i t a n d o

el

tratamiento biologico.

L a oxidación b i o l o g i c a e s generalmente r e a l i z a d a en unidades ce

E l proceso de lodos activados puede d e f i n i r s e como

u n

sistema

-

en e l cual e l crecimiento b i o l o g i c o f l o c u l a n t e e s continuamento

-

circulado y puesto en contacto con los desechos orgánicos en pre--

sencia de oxígeno. E l oxígeno e s generalmente abastecido en forma de burbujas de a i r e inyectado en l a masa de lodo l í q u i d o bajo con; diciones turbulentas. Los lodos primarios y secundarios requieren de tratamientos adicionales antes de

ser

desechados. Estos lodos-

son generalmente d i l u i d o s para ser más economico e l tratamiento y-

Posteriormente son concentrados, ya sea por gravedad o f l o t a c i ó n

-

o s t e paso e s seguido por o t r a tiigestión, l a cual puede

ser

anaeró-

bica o aeróbica, e s G á Ú l t i m a e s l a que oxida progresivamente l o s

-

s ó l i d o s orgánicos por medio de rnacanismos b i o l o g i c o s similares a

-

l o de los lodos activsdos. LCIJ lo¿os de desecho producidos en l o s

procesos aneróbicos o acr6liicos son rnuy similares.

Dependiendo de l a naturaleza de los desechos y e l tríitamiieiito c

de Jcgrzdación, los procesos pueJon c l a s i f i c a r s e en

tres

formas

-

-

generales, en donde i r i f luyen directamiente l a e f i c i e n c i a de elisii-

nación del BOD y da l o s

cblirios

en suspensibn del agua donéstica-

de desecho.

L . .

r_

..

..

CLASE

$

de Eiiminació

35 60 D P r i m a r i a 50-70 20-40

Intermedia 70-00 40-75

Completa 0 0 - 9 5 7 5 - 9 5

I P a r a desechos i n d u s t r i a l e s , estas e f i c i e n c i a s dependeran de l a s

L cantidades r e l a t i v a s de materia orgánica disuelta o en suopensi6n.

?-

^I T RAN SFEREKC1 A Y V E L O C I D A D CIr!ETICR.

P i, ill I. ir

r"

t, F L

...-

r" i F L... IC L

E n e l t r a t a m i e n t o b i o l ó g i c o , los dos conceptos generales

los

CU.

-

l e s son usados para formular l a velocidad de oxidación y rsducción b i o l d g i c a son: l a transferencia de masa y l a velocidad cinbtica.

-

L a transferencia de masá es u n proceso de d i f u s i ó n que envuelve el

cambio de m a t e r i a de u n estado ( f a s e ) a otro.

L a velocidad de cambio depende de u n a fuerza manejable, l a cual

es una ecuación d i f e r e n c i a l ;

a--

F

d t

- -

H

...(

I) en donde:

q

=

C a n t i d a d t r a n s f e r i d a

t : Tiempo

F

z

Fuerza manejable

R = Resistencia

C n ejemplo en e l tratamiento b i o l ó g i c o es l a aereción, l a cual-

puede ser definida como l a transferencia de una f a s e gaseosa a una

l í q u i d a . L a fuerza manejable es l a d i f e r e n c i a entre l a concentra- ción i n t e r f a c i a l d e l oxígeno d i s u e l t o y ésta en

el

lfquido. L a re-

s i s t e n c i a para t r a n s f e r i r e s t á l o c a l i z a d o en l a i n t e r f a s e entre e l g a s y e l l í q u i d o . L a transferencia de masa esta influenciada por-

l a s c a r á c t e r i s t i c a s f í s i c a s y qufmicas de l a s ¿os fases, como son- temperatura, viscosidad y tensión s u p e r f i c i a l .

L a w l o c i d a d c i n é t i c a , es e l estudio de l a velocidad de l a s re

k. acciones químicas y bioquímicas. Una ecuación c a r a c t e r í s t i c a que

r-

-

F

define l a velociada de reación e s :

*,<”

- = dc K

f(c)

d t

-

en

c

Concentracidn de l o s c o n s t i t u y e n t e s en r e a c c i ó n

-.

t = Tiempo

f ( c ) = Funci6n de l a s c o n c e n t r a c i o n e s de las sustancis en

-

r e a c c i ó n .

I: = c o n s t a n t e de l a velocidad de r e a c c i ó n .

La c t e . de v e l . de r e a c c i ó n depende de l a temperatura y d e las

-

c <

c a r a c t e r í s t i c a s de s o l u c i ó n . Pluchas r e a c c i o n e s de g r a n i n t e r a s en-

los

t r a t a m i e n t o s de desechos son generalmente d e f i n i d a s como de or-

den c e r o o primer orden. En 01 primer C Z ’ S O , 1 s velocidad e s inde--

.”.

pendiente de l a c o n c e n t r a c i 6 n y d c / d t es c t e . , mientras que en e l

-

segundo,la velocidad e s proporcional a l a concentración de l a sube-

t a n c i a reaccionante. La oxidacibr. de l a materia orgánica a b a j a s

-

F-3 c o n c e n t r a c i o n e s e s Generalmente representade por una r e a c c i ó n de 9 .

.”a primer orden.

-.

m-3

c _ <

-_

1

DEIIANDA XL?CII.*ICA DE @XIGEi%iL! (’ ECD

) .

La demanda ,de oxfgcno de u n dcsscho

_es

evaluado cuantitativamen- t e p o r l a prueba del

COD.

E l BCD e s l a cantidad d 3 oxígeno r e q u e r i

-

da p o r or2anisnos v i v i e n t e s u t i l i z a d o en l a Gestruccibn o:.es.tabili- zación f i n a l d e l a m a t e r i a orgánica. Est:) prueba mide los e f e c t o s -

combinados d.e todas l a s s u b s t a n c i a s p u t r c f a c t i b l e s de l a s c u a l e s a l

-

y n e s Son conpuestos. E l Eud e j c r c i d o e s . i n f l u e n c i a d a p o r dos e s t a

-

l o s : primero, en e l c u a l

la

m a t e r i a corbonosa e s oxidada y e l segun

r- do, en e l c u a l todas los s u b s t a n c i a s nitrdgenadas son oxidadas. Pa-

r a l a e s t a b i l i z a c i ó n completa s e requieren perfodgs l a r g o s de i n c u -

I* bación, que e s i m p r a c t i c a b l e para a n á l i s i s de r u t i n a .

.-

Lfn período de 5 d i a s de incubación e s recomendado C O ~ O u n proce-

I^ dimiento estandar y e l X 3 r e s u l t a d o e s rtq3ortado sobre e s t o base.

i.

En nuclios casos e s t o c s n e c e s a r i o para determinar e l CUD r e s i d u a l y

L.

?- 2uede s e r r e a l i z a d o ;,or zvolucivnes de l a velncidad a 12 cu-1 e l

-

i producto de r e a c c i ó n e s t a e s completado.

. e La velocidad de o x i j i c l 6 n de n:ucIias s u b s t a n c i a s químicas i n e s t a -

11__1

. .. .

__

- =

_{. a-}

_.

-

.. - ~

. .

- - 1 8 . .

r

, !

Cuando tnás dc una z u b s t a n c i i

est$

e n v u e l t a en' l a vel de

reaccibn,

esta puede s e r d e segundo orden.

d u s t r i a l , parece un t i p o de reacción de primer or,den,

t e b i e n d e f i n i d a l a o x i d a c i ó n de l a materia o r g j n i c a en e l primer

tado. Una r e a c c i ó n d e primer o r d e n e s a q u e l l a que está c a r a c t e r i z a - d d p o r una v e l o c i d a d d i r e c t a m e n t e p r o p o r c i o n a l a l a c o n c e n t r a c i ó n de

la

s u b s t a n c i a en r e a c c i ó n . i!umorosos i n v e s t i g a d o e r c s han o b j e t a d o

-

en e l uso d e l a reacción de primer orden comg una nodida de l a a c t i -

vidad bioqufmica. L o s mecanismos de o x i d a c i ó n comunnente aceptados- c o n s i s t e d e tios reacciones b i o q u f m i c i s , primera; l a r á p i d a velocidad do crecimiento d e l a c é l u l a s b a c t e r i a n a s por l a asimilación de l a ma

-

t s r i a o r g á n i c a , segunda; l a v e l o c i d a d r e l a t i v a m e n t e l e n t a de l a o x i - dación s u b s e c u e n t e de estas c é l u l a s . La primer f a s e es g e n e r a l m e n t e

completada do 1 2 a 60 hrs. dependiendo d e l a f a s e l a g . z n e l p r e s e n -

t e

modelos no matemáticos han s i d o c o n s t r u i d o s s o b r e b;ses t e ó r i c a s -

y c o n s e c u c n t e q e n t e , muchas personas han c o n t i n u a d o con a l u s o de l a -

rsacción de primer orden p a r a d e f i n i r la v e l o c i d a d de reacción

:%l

-

GOD. L a r e Z c c i 6 n puede ser e x p r e s a d a cbinr s i g u e :

E n e l c a s o d e l agua r e s i d u a l e i n - razoneblamon-

r

dL

-

-= d t

-K,L

. .

.

(3)

en donde

L = C o n c e n t r a c i b n de l a s u n s t a n c i a

1;

=

Cte. d e r e a c c i ó n . I

l a e c u a c i ó n puede

ser

integrada quedando:

...(

4)

e n donde;

Lo

=

C o n c o n t e r a c i ó n i n i c i a l do materia o r g á n i c a O darnanda

f i n a l de o x í g e n o .

f i n a l d e l tiempo; t.

L t

=

C o n c e n t r a c i ó n de materia o r g a n i c a residual hasta e l

-

K,

= Coe"icientc de r e a c c i ó n c o n b i s - e

k, = C o e f i c i e n t e Je r o a c c i b n c o n b a s s 10

Se ha notado que todas l a s ecuaciones anteriores s e r e f i e r e n ha l a

materia orgánica medida en térmihos de oxígeno residual en un s o l o perildo.

Siguiendo que l a materia orgdnica e s o x i d a d a , o e l oxígeno es usa-

do,es i g u a l a:

Y = Lo-Lt

...(

5)

sustituyendo l a ecuación (5) en l a Ecuación ( 4 ) y reareglando

ter-

minos:

.

.

(6)

Estas ecuaciones son mostradas gráficamente e l l a s figuras 1 y L a influencia de l a temperatura sobre esta reacci6n esta r e f l o

-

Y = Lo(1-10 -k 1 t )

en donde Y e s e l BOD e j e r c i d o en u n tiempo, t.

2.

jada sobre e l c o e f i c i e n t e k ₁ como sigue:

- T-20

kt

-

1.047

.

. .

(7)

Un r a n g o común de valores de k l es de 0.10 a 0.30 por d i a para

-

Un número de inétódos estan disponibles para l a determinación del ayuas residuales mrnicipales e industriales.

C I

c o e f i c i e n t e k l partiendo de datos rango permite l a determinación de

P, evaluados, comunnente reportados.

...

.*.

3

..-

-3

..II

cI<

..a

-1

--

."I

....

.I

.-

I

I

c

_ _

~ .

,

. . .

- - . . 2 0 .. -

.. 6.

P R I N C I P I O S DE LA O X I D A C I O N BICLOGICR.

Cuando un desecho e s puesto en contocto con lodos biolÓgicos,, e l GCD e s consumido por varios mecanismos. Sólidos en suspensión y fi

-

namente d i v i d i d o s son consumidos por absbción y cuaguiación,

una

-

p a r t e de l a materia orgánica soluble e s consumida por absorción Y

-

almacenada en l a c é l u l a como reserva de alimento. materia orgánica

a d i c i o n a l d i s u e l t a es progresivamente consumida durante e l proceso- de aereación, resultando l a s í n t e s i s d e l lodo, produción de COZ y

-

agua. La disponibilidad para l a oxidación disminuye cuando l a com- p l e j i d a d de

los

compuestos orgánicos aumenta. Grandes partículas

..

s e dividen por h i d r ó l i s i s entes de l a oxidación. L a velocidad de-

comsumo d e l BOD deopÚos de %a absorción i n i c i a l , depende principal-

mente de l a concentración del

B G D

y de l a concentración de los lo--

dos s ó l L d u s . Las rcacCíones o n w c l t e s en e l consumo del ROD en S O

l u c i ó n durmte l a biooxidación pueden ser interpretadas como un pro

-

proceso do 3 f z s c s ( ‘‘estcri and tckenfelder, 1959 )i

.

I ) . - U n consumo i n i c i a l del ü C D p o r e l contacto tie los desechos-

con lodos bioldgicarnente activos,

el

cual es almacenado en-

l a c¿lulri corno reserv¿ de climento.

2 ) . - consumo cioi UCD on proporción d i r e c t a con ei crecimiento

d e l lodo b i o l ó g i c o .

3 ) . - L a o x i d a c i ó n del material b i o l ó g i c o c e l u l a r por medio de l a

respiración.

-

Estas reacciones osn ilustradas por las siguientes ecuacines:

Oxiclación de l a materia orgánica;

.

. .

( 8 )

enzima

CxH1/CZ

+

02 ---z Cll2 t H O

+

AH

2

S í n t e s i s del material c e l u l a r ;

+

c é l u l a s

+

EO2

+

H20

+ O 2

---

CxHyCz

+

_i!H3

I"

Oxidación d e l m a t e r i a l c e l u l a r ;

enzima COZ t H2C + r!H3

-

A H

.

. .

(1

o)

( c E i u i a s )

+

o2

---a

E l t6rmino A H r e p r e s e n t a e l c a l o r de reaccidn. E s t a s ecuucio--

nes son g e n e r a l e s , pero pueden m o d i f i c a r s e con compuesto orgánicos que contengan nitrdgeno o azutre.

La ecuación ( B ) , e s l a ecudción convencional de l a combusti6n.

-

'ii e s t á p r e s e n t e el nitrógeno,puede ser oxidado a n i t r a t o , y e l a-

zufre a s u l f a t o .

La ecuación ( 9 ) , r e p r e s e n t a l a s í n t e s i s d e l m a t e r i a l c e l u l a r a-

p a r t i r de s u s t r a t o s orgánicos.

La ecuación

(io),

r e p r e s e n t a l a oxidación d e l m a t e r i a l c e l u l a r - previamente s i n t e t i zado

.

La s í n t e s i s d e lodos a c t i v a d o s , como muestra l a ecn. (9), emple

a amoníaco como fuente de nitrbgono. La ecn. ( 8 ) y (O) pueden ser

i l u s t r a d a s usando l a c t o s a comn f u e r t e de carbono (tloover y For--

g e s , 1 9 5 2 ) . L?, oxidoción completri de l a l a c t o s s e s :

-

t12C

+

_12C2 L.--* _12CC2

+

12H2f;

c1 2H22011

O

(CH2C')

+

C

---

c o 2

*

H20 2

La s í n t e s i s de r e a c c i ó n (ecuación 3 ) puedo ser i l u s t r a d a u t i l i -

zando % unidades d e ozucar:

8(CH20)

+

302

+

NH, ---a C I1 Ii'C

+

3 C G 2 + 6H20

J 5 7 2

La c é l u l a s producidas pueden sufrir oxidsbi6n (ecuación I O ) :

c

₅ H

rir

+ 5c2 ---3 5c02

+

b!iiz

+

Z H ~ C

7 ' 2

La v a l i d e s de Q s t a s ocns. f u e confirmada por observaciones ma-

Tamiya (1935) e s t a b l e c i o que todLs l a s r e a c c i o n e s d e s í n t e s i s -

reaccibn. R e l a c i n e s c u a n t i t a t i v a m e n t e e x a c t a s sólo pueden scr de-

terminadas por experimentacibn, ya que en l a p r ó c t i c a pueden vari-

a r dependiendo d e l ambiente e s p e c í f i c o .

E l #crecimiento d e l a masa b i o l 6 g i c a en u n l o t e de oxidación S i -

gue l a curva sigmoidal, (Fig. l ). E s t e t i p o de c r e c i m i e n t o es se

-

guide por t o d a l a poblacidn b i s l b g i c a . La p a r t e i n f e r i o r d e l a ,

-

curva de c r e c i m i e n t o e s cóncava y r e p r e s e n t a u n incermei:to geomé-- t r i c o en l a mase t i o i 6 r ; i c a ( a - b ) ,

d e c r e c i m i e n t o , durante l a c 6 a l 1 3 m u i t i p i i c a c i d n r e g u l a r y naxfma

de l a s c 6 l u l a s e s l l e v a d a a cabo. E s t a f a s e de c r e c i m i e n t o ocurre

er, p r e s e n c i a d e abunclznte d i n e n t o . Le p r r t e medio d e l a curva e s

aproximadamente l i n e a r . Debido a que l e d i s p o n i v i l i d z 6 d e l alimen

-

t o va disminuyendo, o c u r r e u n d i c l i v e en l a curva, en l a cÚal l a

-

, d i v i s i 6 ~ c e l u l - 7 r tusibfhn dccae ( b - c ) , Esta p a r t e siDue una ecn. de primer o r d e n . Lz ¿urva de c r e c i m i e n t o se hace a s i n t d t i c a para un-

l i m i t e e l c Ú d e s dependiente de l a c o n c e n t r a c i ó n d e l alimento d i s

-

ponible.

L a p k t e de l a c u r v o , (c-d) r e p r e s e n t a un3 d i s m i n u c i h n ,-n Xi: n a ~

sa hicl16;icaJ resultado d e tuna eutooxidación dcspuks d e l agotamien

-

t o d r l cli!nen%o d i s p o n i b l e . E s t o e s llana.?.. c n e n u d o l a fzse dv r e s

p i r i i c i ó n enciógena d e

iodos

ac-kiv2rlos. La uuto-oxidación, i n i c i a l - -

i n e n t e s i s u e l a c i n c ' t i c a de p r i n c r ordT-n, . s e ~ i : i d a p o r una d i s m i n u - -

c i d n en 1:: v e l i c i d a d d e oxidacikn a medida que e l s u s t r a t o bacto--

rial va disminuyendo por l a oxidaci6n.

0

é s t a e s fiarnada f a s e l o g a r í t m i c a

-

L q F"iE L a c

E n algunos c a s o s uric: fase iaz puedo e x i s t i r -1 is r e l a c i ó n d e

-

c::ccimie:i+o. t s - t o puede o c u r r i r cuendo hay una disminución en el-

suininis.tro 'de ülimento que es adninist.rcido ( ;lor e j e n . or~Bnisrnos

de agua r e s i d u a l a des?chos i n d u s t r i a l e s ) o p o r Pnpleo de l o d o s en l o s c u a l e s l a f a s c cndáCenZ'cst< a c y avanzada. Unl; f a s e l a g de 2-

a 5 d i n s p a r i 'ocjrai u n a , - p u r i f i c a c i b n cor.picta fue encontrada pof-

Sawyer e t al. ( 1 - 5 5 ) cuando em:ileo' un ledo erircado b a j o , condicioc-

b

c

I

co

r:cur*c'

Ir:

ICIAL

En muchos sistemas b i o l d g i c o s una a l t a velocidad de consumo

-

de 8 C D es observado inmediatamente despues d e l contacto de l o s d e

sechos con l o s lodos. Los s d l i d o s c o l o i d a l e s o suspendidos son

-

consumidos por f l o c u l a c i d n y absorción, mientras l a materia S o l u -

b l e e s consumida por bioabsorcidn, 1 s velocidad de consumo depen-

de de l a naturaleza de los desechos y de l a s c a r a c t e r í s t i c a s do

-

: l o s lodos. En algunos casos & S t a velocidad i n i c i a l excede de l a -

velocidad maxima de crecimiento y

el

BOD e s almacenado en l a c6lu

-

l a . E l _BCD almacenado e s subsecuentemente oxidado dsspu6S de

va-

r i a s horas de aereacidn.

conciderando é s t e a t r a v é z de u n * i n t e r v a l o c o r t o d e tiempo (1 0-1 5-

minutos). E n e s t e caso solo es conciderado l a parte consumible

-

del BOD en u n tiempo e s p e c í f i c o .

Esto e3 frecuentemente p o s i b l e p a r a formular e l consumo i n i c a l ,

Eckenfelder (1959) empleo l a relación:

integrando :

. .

. ( 1 1 )

.

.

.

(12) en donde;

K i

=

C o e f i c i e n t e de vel. de consumo i n i c i a l . 3 = Cblidos b i o l d g i c o s i n i c i a l e s .

Lri = BOD consumido en

un

i n t e r v a l o de tiempo e s p e c í f i c o .

L i = Kaxirno BüD consumible en u n i n t e v a l o de tiempo espe

-

tífico.

E l consumo i n i c i a l de _BGD p a r a desechos de papel y para mezclas de aguas resic'ualos domesticas o desechos t e x t i l e s , deacuerdo _a-

l a ecn. (121, _es mostrado en l a F i g . 2. $ q u i es un5 l i m i t a n t e l a

cantidad de X D e l cual puede s e r inicialmente consurnido por una-

u n i d a d d e masa biológica.

Este consumo l i m i t a n t e puede ser una funcidn de l a capacidad

-

de ilmacenaje de l a c é l u l a y de l a velocidad de oxidacidn b i o l d g i

ca.

-

L.

c

.

Un consumo

máximo

por bioabsorción de 0.65 mg CCD/mg VCS de&-

che desnatada, f u e encontrado por Porges e t el. (1955). Este con

-

sumo f u e almacenado en l a c é l u l a como giucdgeno y fue metaboliza-

do después de t r e s horas de aereación.

-

con una composici6n quimica general C5H7N02* Inmediatamente des- pués del contacto de l a aereacidn con l o s desechos orgánico%, e i - lodo entra en a c t i v i d a d con l a f a s e respiración-almacenaje y l a

-

composicidn general puede s e r quimicamente como C5H7N02’ _C H C

X Y z

Como l a aereación continúa y e l BOD soluble es consumido por l a

-

masa b i o l ó g i c a , l o s microorganismos cohsumen e l material ahace-- nado para SU metabolismo y crecimiento. Después de l a aereación- y l a s í n t e s i s d e l BOD consumido, SI lodo es nuevamente reducido

-

a l a forma endogéna C5H7N02. (La fórmula general para e l lodo,.

-

C5H71102, fue definida por Hoover e t a l . 1952).

L a m a g n i t u d d e l consumo i n i c i a l , depende de la condición del

-

lodo que esta en contacto con l o s desechos, si e l lodo h a tenido- un período de eereación i n s u f i c i e n t e previo a l contacto con l o s

-

desechos

,

e l 8GD previamente almacenado no pudra ser completamen-

t e motabolizado y e l consu:iio i n i c i a l se reducira.

Resultados reportzdos por l a Water F o l l i i t i o n Research Labora-

t o r y (1956), mostraron que media hr. de aereacidri después del con

-

t a c t o del lodo can e l agua residual, da como resultado una progre

-

s i v a p é r d i d a d e l poder c l a r i f i c a n t e , mientras que 2 lirs. de aere:

c i ó n

mmtuvo u a l t o yrado de poder c l a r i f i c a n t e .

h h r n i a n (1956), demostró un?. r á p i d a reducci6n en l a velocidad

de consumo cie l a c t o s a p o r lodos activados con aereacibn arriba-

de 216 hrs.

Fare i l u s t r a r , conciderando a l a c é l u l a en l a f a s e endogena

Y-

-.

. ”

c.

r

i..

I

L...

26

. - . .

REALkCIDNES flATEmATICAC.

Desde e l p u n t o de v i s t a i n g e n i e r i l , podemos c o n c i d e r a r l a s fa-

s e s de c r e c i m i e n t o y e l consumo d e l B O D que c o n s i s t e n de una r e l a

c i ó n dinámica e n t r e 1 2 t r a n s f e r e n c i a de masa y alimento e s e n c i a l -

dentro de l a e x t r u c t u r a c e l u l a r , y l a a s i m i l a c i ó n y u t i l i z a c i ó n

-

d e é s t e alimento para energía y crecimiento.

a

una a l t a concen--

t r a c i ó n de materia o r g s n i c a , l a velocidad de a s i m i l a c i ó n Y c r e c i -

miento son independientes de l a misma concentración externa. A b a

-

j a s concentraciones de alimento en u n sistema mezclado, s e o b s e r -

va quo l a v e l . de c r e c i m i e n t o y e l consumo del B O D s o n dependien- t e s de e s a concentración.

Ai

p r i n c i p i o de l a aereación s e encuentra:

So = llasa i n i c i a l de lodo por unidad de volumen (p.p.m.)

Lo = La cantidad t o t a l i n i c i a l de 6 G D que puede ser oxi-

dada como una l i m i t a n t e d e l proceso de oxidación. En u n tiempo t queda:

S = La concentración de l o d o presente (p.p.me)

As = S-So = Increm ento en l a concentración d e l lodo

L r = E l E D D consumido

L = Lo-Lr

=

BOD oxidable mantenido

K 1 =

La v e l . de crecimiento l o g a r i t m i c o porn la f a s e l o g

K2=

E l consumo l o g a r i t m i c o d e l B O D , cuando e l crecimien

-

de crecimiento (logaritmos n a t u r a l e s ) .

t o depende de l a concentración de

G O D

Queda ser l a fracción d e l 6 0 D consumido, e l cual e s s i n t e t i - zodo en lodo en un tiempo. Entonces;

a i r = A S

S = S o + A S = So+aLr

.

. .

(1 3 )

F9SE I

-

Faso de crecimiento l o g a r f t m i c o (d

-

b) en l a Fig

1.

La f c s e l o g d e c r e c i m i e n t o comci fue d i s c u t i d a anteriormente

-

puede ser expresada matBrnátic,iiirnte:

a -

dt

-

tq

s

i a cÚal en forma integrada e s ;

-..

2 1

. .

(1 5 )

*

K1 puede ser i n t e r p r e t a d o en tbrminos de tiempo de generacidn

-

c u l t i v o ,

en

el

cual

es e l tiempo requerido exacto para duplicar

-

l a población.

En términos de BGD coasumido

(Lr),

l a ecn. ( I S ) queda:

...(

1 6 )

La g r á f i c o de l n ( 1

-

aLr/So) c o n t r a tiempo e s una r e c t a dentro-

de l a f a s e I ( a - b ) . La pendiente de este l i n e a d e f i n e K 1 ,

l a

cte.-

l o g e r f t m i c a d e l a vel. de c r o c i n i c n t o . La c a í d a d e l a pendiente de l a l i n e a después d e l p u n t o b i n d i c a

u n

descenso de l a vel. de cre- cimiento d e l a fase 11.

Los tieiripos de generaci6n de v a r i a s e s p e c i e s de _{h a c l s r i z s para}

condiciones no r e s t r i n g i d a s d e c r e c i m i c n t o s o n rnnstradcs en l a t a -

b l a i'o. 3.

r r o t e u c v u l g a r i s 21.5 1 . 9 4

E c h e r i c h i a c o l i 1 6 5-17. O 2.48

Pterobacter aerosenes 17.2-17.4 2.40

E b e r t h e l a typhosa 23.5 1.77

n i a o , t i p c 1 20.5 2.05

Clostridiurr butyricun 51 .O 0.81

Diplococcus pncuro-

?hizobium t r i f o l i i 101-174 0.24-0.41 Rhizobium j aponicum 345.8-460.8 O. 09-0 - 1 2

De e s t u d i o s con glucosa y peptona con c u l t i v o s mixtos, Garret y Sawyer (1952) e s t a b l e c i e r o n u n a v e l . rnsxima do reacción d e C.QD

/ h r a IO'C, 0.20,'hr. ri 2 O ' X y 0.30,'hr. a 3OoC. .7 ZO'C e s cquiva

-

l e n t e 2 u n tiempo d e seneración de 5 1;2 lirs.

Vna v e l . q á x i n o d e crecimicnto ,vrrfa de O.O5/hr. i P.Z@,!hr

-

dos coii. c u l t i v o s mixtos.

Dentro de una p a r t e d e l a curva de crecimiento l o g dondo e l , J iricrementa en mas6 d e l lodo no es más grande que e l 100;: (,AS< So),

u n

e r r o r r e l a t i v a m e n t e pequeño e s introducido

por

e s c r i b i r C=sa,

-

e l promedio de l a concentracidn de l o d o sobre l a velocidad bajo

-

concideración. Entonces, s í to=O, l a ecn. ( 1 6 ) queda:

4

aL

r

K1 =

-

_{S a t}

. . .

(17)

,

La ecn. (17) también puede ser usada como l i expresión más sim-

p l i f i c a d a p a r a l a p a r t e apraximadamente l i n e a r ( e - f ) de l a curva

-

de c r e c i m i e n t o .

La ecn. (17) i n d i c a que l a vel. de consumo, expresada en mg dc

üOD/hr,'g de lodo, puede s e r aproximadanonte c t e . , l a f a s e l i n e a l - de c r c c i m i c n t o e s mostrada en l a Fig.

4.

E 1 promedio d e l a vel. de consumo para desechos de: fcrmacéuti

-

c a s , c e r v e c e r i a s , r e f i n e r i a s y donde se encuentren s u l f a t o s , pue-

do ser; 200, 1 0 0 , 171 y 107 mg d e 2C3 consumido/hríg de l o d o , res

-

p ec

ti

vament e.

Gluhrman (1958) demostró que l a v e l . de consumo de un compuesto

simple e s p e c i f i c o , e s generalmente l i n e a l con e l tiempo y l a con-

c e n t r a c i d n de lodos s ó l i d o s a n i v e l e s muy b a j o s de s u s t r a t o (me-- n o r de 1 p.p.m.). La c i n é t i c a de é s t a s r e a c c i o n e s son explicadas

por las l e y e s que gobiernan l a s r e a c c i o n e s enrimóticas. E l con--

sumo d e l fenol por l o d o s activados parece s e g u i r é s t a r e l a c i ó n

-

l i n e a l .

FASE 11- E l d e c l i v e de. la fase de c r e c i m i e n t o ( b - c ) , en l a

-

A b a j a s c o n c e n t r a c i o n e s de

BCD,

l a v e l . de c r e c i m i e n t o d e l i o

-

do y por 10 t a n t o l a vel. de consumo d e l GOD, seran frecuenteme-

t e expresados p o r una r e a c c i ó n de primer orden. E l

X D

consumit

do b a j o é s t a s c i r c u n s t a n c i a s podra ser expresado p o r la r e i a c i 6 n .

(Eckenfelder y RcCate, 1960):

F i g . 1 .

- = dL K2L