Aspectos Generales. Parte 2

Relaciones cinéticas básicas

Se utilizan las expresiones fundamentales ya consideradas anteriormente:

Esta relación es muy usada, aunque debe reconocerse que existen otros factores, además de una concentración limitante. La fuente de C y energía, medida como DBO o DQO es generalmente considerada el sustrato limitante en los procesos
biológicos aerobios. Sin embargo, es bien conocido que la velocidad de crecimiento de microorganismo puede ser controlada por otras sustancias como amoníaco, fosfatos, sulfatos, sales de hierro, C02 , etc. El control (sustrato limitante) por amoníaco o fosfatos puede ser de especial importancia en el tratamiento de residuos industriales deficientes en estas sustancias. El crecimiento de algas en procesos fotosintéticos puede ser controlado por la luz o C02 , entre otras sustancias.

El control puede ser ejercido por la transferencia de masa al interior de la célula, lo mismo que por la reacción química dentro de la misma, y en baja concentración de sustrato ambas pueden ser de importancia. Varios autores han demostrado
la significación de la transferencia de materia en proceso biológicos para tratamiento de efluentes. La ecuación (10) puede ser usada si K s es considerada una variable dependiente del grado de mezclado. La importancia de transferencia de masa en estos procesos está reflejada en el hecho de que los valores de K s son comunmente de un orden de magnitud mayor que para cultivos puros de microorganismos.

El tamaño de los flóculos o el espesor del film en estos procesos está medido en milímetros, lo que en microorganismos individuales se mide en micrones.

En la mayor parte de los procesos usados en tratamiento de efluentes, los microorganismos son retenidos en el reactor suficiente tiempo como para que la autooxidación o la descomposición de microorganismos sea importante, de manera tal que el proceso de digestión aerobia es diseñado para que la destrucción del microorganismo sea la reacción clave. La ecuación (9) puede ser modificada para incorporar ese aspecto:

Kd es usado en el sentido de un término que incluye el efecto de todos los factores, aparte del sustrato, que puede resultar en un cambio de la masa de los organismos involucrados. Entre esos factores están el metabolismo endógeno, la muerte con lisis consiguiente y el crecimiento críptico. El valor de Kd, que es generalmente sin importancia en experimentos cortos de interés microbiológicos, es sin embargo de gran significado en los procesos biológicos largos. Comunmente usado en procesos biológicos de tratamiento de efluentes, Kd no es realmente una constante, ya que decrece con la edad del organismo. Sin embargo, el concepto de un valor constante de Kd ha sido postulado como muy satisfactorio cuando se aplica en un rango limitado de edades.

Diferencias entre tratamiento biológico de efluentes y procesos de fermentación

Es interesante comparar los procesos de tratamiento con los procesos de fermentación que se utilizan en Microbiología Industrial. En la tabla 6 se observan las principales diferencias y semejanzas.

Considerando estas diferencias y las dificultades que existen para mantener el estado estacionario en un sistema continuo de tratamiento de efluentes se puede cuestionar si es realmente posible esperar una real cuantificación aplicable a estos procesos.

Aunque la presencia de poblaciones mixtas representa una variación interna intrínseca y las dificultades de control que se presentan son importantes, la situación no es tan caótica como puede suponerse, ya que existen muchas publicaciones en las cuales se demuestra que los fundamentos de la estequiometría y cinética microbiana pueden aplicarse con éxito al diseño de procesos y reactores para tratamiento de efluentes.

Métodos de tratamiento

Los sistemas biológicos utilizados a nivel industrial que se aplican por lo general como tratamiento secundario pueden ser de tipo aerobio y anaerobio. Entre los procedimientos aeróbicos existe una diversidad de tecnologías disponibles tales como: 1) Barros activados. en el cual los materiales solubles coloidales y en suspensión son transformados en CO 2 , H20 y células con recirculación de los barros formados. 2) Lagunas de aireación que emplean aireación artificial en una laguna y que puede ser completa o parcialmente aerobia. 3) Filtros percoladores que consisten en lechos de material de tamaño variable o sintético que por acción del tratamiento lleva adherido un limo formado por el material biológico a través del cual el efluente fluye. 4) Discos rotatorios, que constituyen una modificación de los sistemas de filtración fija y consisten en discos rotantes que van montados en un eje horizontal. 5) Piletas de estabilización que son sistemas de bajo costo que utilizan bacterias y algas para reducir los componente orgánicos y eliminar los microorganismos patógenos.

Los procesos anaeróbicos son fundamentalmente procesos de digestión que pueden aplicarse a residuos líquidos o sólidos e incluyen generalmente separación y aprovechamiento del gas producido. La transformación de la materia orgánica en metano y CO2 se lleva a cabo en 3 etapas consecutiva en las cuales intervienen diferentes grupos de bacterias con formación de ácido acético, propiónico, butírico, láctico, fórmico, CO2 e H2 para llegar finalmente a metano y C02 . Los digestores anaerobios varían mucho en relación a la complejidad y diseño y se ha demostrado que un solo diseño no es adecuado para distintos efluentes. Además de los digestores tradicionales se han desarrollado últimamente nuevos tipos de reactores a lecho fluidizado y otros basados en filtros anaerobios.

Cuando se comparan procesos aerobios con anaerobios se suele enfatizar que existe una marcada preferencia por el uso de procedimientos anaerobios debido fundamentalmente a la economía de energía lograda, dado que los costos de operación de los sistemas aerobios son cada vez más elevados. Sin embargo, la comparación debe hacerse en forma más completa. Por ejemplo, debe tenerse en cuenta la presencia de compuestos tóxicos (como el fenol) o de los llamados recalcitrantes o xenobióticos, que son aquellos cuya biodegradabilidad es muy dificultosa.

Existen tres factores fundamentales para determinar la capacidad de un tratamiento biológico de efluentes que contengan compuestos tóxicos o recalcitrantes.

Esos factores son: 1) La naturaleza de la conversión química necesaria. Por ejemplo los derivados halogenados aromáticos son más fácilmente atacados por comunidades anaeróbicas, mientras que en el caso de comunidades aeróbicas los compuestos tienden a polimerizarse primero, haciéndose más difícilmente atacables después. 2) La ecofisiología de los microorganismos comprendidos. La digestión anaeróbica puede considerarse como un proceso en serie y es por lo tanto más vulnerable que la aeróbica que comprende microorganismos y caminos metabólicos que actúan en paralelo. Una variedad de compuestos como amoníaco, agua oxigenada, sulfitos, sulfatos e hidrógeno sulfurado, que no interfieren en tratamientos aerobios pueden ser inhibidores de las bacterias metanogénicas. 3) Diseño del proceso y operación de la planta. A pesar de que existen procesos aerobios muy difundidos y eficientes para tratamiento de aguas residuales que contienen fenoles, amoníaco y cianuros, se ha demostrado recientemente que también pueden tratarse anaeróbicamente con reactores de filtro, empleando carbón activo, lo cual demuestra la importancia del adecuado diseño del proceso. La tendencia moderna considera que los sistemas son, más que excluyentes, complementarios, ya que las comunidades misrobianas anaeróbicas son específicamente ventajosas a altas temperaturas y altas concentraciones de sustratos, especialmente insolubles, mientras que las comunidades microbiológicas aeróbicas son indispensables para bajos niveles de sustratos, condiciones ambientales variables y distintos productos químicos.

Metodología para la determinación de la calidad de un efluente

Son fundamentalmente dos las técnicas de medida que se utilizan para determinar la calidad de un efluente: 1) DBO, o sea la demanda biológica de 0 2 , y 2) la demanda química, que puede determinarse por el valor de KMn04 o por el Cr207K2 , que es el que más se utiliza como demanda química y se lo simplifica como DQO.

El ensayo de DBO es un intento de simular las condiciones de una corriente de H 2O. Una muestra del efluente es diluída con H 2O aereada y la concentración de 02 es determinada antes y después de 5 días de incubación a 20 °C. El ensayo es simple, pero se requiere: a) Si la muestra no puede ser medida inmediatamente debe conservarse a 5 °C. b) La dilución debe ser tal que por lo menos 30% del 02 disponible debe estar presente en el ensayo después de 5 días de incubación.

c) Las botella deben tener una capacidad de 250 ml. d) La temperatura de incubación debe ser 20 °C ± 0,5 °C durante 120 h. Las botellas deben conservarse en la oscuridad y e) El valor de pH debe estar entre 6.5 – 8.2. El valor de KMnO4 es un ensayo empírico de las sustancias oxidables químicamente empleando una solución de KMnO 4 N/80.

La demanda química es el valor de 0 2 absorbido por un litro de muestra cuando una alícuota de la muestra es calentada a reflujo durante 2 horas con solución de Cr 2O7K2 . En la tabla 7 se dan algunos valores de las demandas biológicas y químicas de algunos efluentes.

Aprovechamiento total o parcial de efluentes

El aprovechamiento o la valorización más conveniente de un efluente por vía microbiana depende del producto a ser obtenido o más precisamente de las aplicaciones y aceptación por parte del mercado de ese producto. Por acción de los microorganismos sobre la materia orgánica puede obtenerse: a) Energía a partir de residuos sólidos o líquidos, como es el caso del metano, b) Fertilizantes o condicionadores del suelo, a partir de residuos sólidos, c) Alimentos de tipo no convencional, como proteínas unicelulares, y d) Metabolitos específicos, como alcohol, enzimas, etc. Un ejemplo interesante de empleo de efluentes como sustrato para la industria es la producción de enzimas como lactasa o proteasas o goma xantano a partir de suero de queserías. A medida que pasamos de una aplicación a otra aumenta la valorización del efluente como materia prima de los procesos involucrados, pero aumenta también la complejidad de las operaciones. En el caso de metabolitos específicos suele ser muy dificultosa la utilización de efluentes como sustratos de las industrias fermentativas por la diversidad de las etapas de extracción y purificación (salvo en algunas excepciones) que son necesarias de efectuar. A veces sucede también en muchos casos que los efluentes son estacionales, no existiendo por lo tanto la disponibilidad permanente que la industria necesita. Otro problema está relacionado con las variaciones en la composición de los efluentes, lo que hace muy difícil su aceptación por parte de la industria.

En el caso de los residuos sólidos es esencial pensar en la recuperación de la materia orgánica, ya sea incorporando el efluente al suelo o empleándolo para la producción de energía no convencional (por ejemplo metano) o destinarlo a la producción de un alimento. No deberían quemarse los residuos aunque esto se hace aún en gran escala, como es el caso del bagazo en algunos ingenios azucareros.

No es tan simple evitar esto, porque los ingenios logran en esa forma una economía considerable de combustibles. Lo importante en este caso es el desarrollo de tecnologías que otorguen al bagazo una valoración superior a la que puede tener como combustible y que además puedan absorber las grandes cantidades de ese residuo. Cuando se trata de efluentes líquidos pueden existir dos posibilidades según la concentración de la materia orgánica: 1) Efluentes con alta concentración (3% o más) como el agua de procesamiento de papas, vinazas de destilería, suero de queso, etc.. Estos efluentes pueden ser usados como materia prima de procesos fermentativos para la obtención de alimentos de tipo no convencional, pero debe tenerse en cuenta que esos procesos generan casi siempre otro efluente que necesita de una segunda etapa de tratamiento. 2) Efluentes con baja concentración de materia orgánica. Son más difíciles de aprovechar por la dilución de la materia orgánica que presentan, y por los bajos rendimientos de los producto obtenidos. Se puede, sin embargo, en algunos de estos casos aplicar un procedimiento microbiológico con retroalimentación.

Estrategia general para encarar el problema de los efluentes

Es evidente que la calidad de vida de la población está muy influenciada por la contaminación producida por los residuos o efluentes industriales, gases, líquidos o sólidos, que son la principal causa del deterioro que se observa en el medio ambiente.

En muchos países existen plantas en funcionamiento que son muy poco eficientes, y que en algunos casos se pueden mejorar con modificaciones poco costosas.

Un problema generalizado está relacionado con el empleo de plantas para el tratamiento de un volumen de efluentes mucho mayor con respecto al que originalmente se tuvo en cuenta. Además existe el criterio generalizado y erróneo de creer que una planta de tratamiento no necesita supervisión profesional y que puede recibir cualquier tipo o mezclas diversas de efluentes sin tener en cuenta la flora microbiana que está involucrada.

Lo primero que debe hacerse, como ya se dijo, es comprobar realmente si el efluente no se puede disminuir o incluso eliminar, para lo cual es necesario estudiar las operaciones y procesos industriales involucrados. En el caso de plantas de procesamiento de pollos, por ejemplo, es común comprobar que las vísceras y sangre de los animales son arrastrados con grandes volúmenes de agua, lo que ocasiona efluentes muy contaminados, cuyo tratamiento es muy costoso. Pueden en ese caso considerarse otras alternativas de separación de los residuos sólidos con modificaciones menores en el proceso y reducir así el problema.

El paso siguiente consiste en considerar el aprovechamiento, si es posible, total, del efluente considerado. Tal es el caso de la utilización de suero de queso para producción de proteínas unicelulares cultivando cepas de levaduras, que incluye el secado total del caldo fermentado. Los residuos sólidos de naturaleza orgánica, por ejemplo, pueden ser transformados en acondicionadores de suelos o para rellenar terrenos bajos. Finalmente, es fundamental que exista la obligación de incluir en las nuevas plantas industriales a instalar planta de tratamiento adecuadamente diseñadas.

Las soluciones a encarar no son simples y dependen de acciones globales que deben ser encaradas y coordinadas por los gobiernos y empresas con la colaboración de todos los demás sectores involucrados.

Lecturas recomendadas:

• Biotechnology and Bioengineering Symposium N° 2. Biological Waste Treatntent. Ed. Raymond Canale. John Wiley and Sons (1971).
• Poceedings 4th European Congress on Biotechnology. Vol. 4. Ed. 0, M. Neijssel, R. van der Meer y K. Luyben Elsevier (1987).

Fuente: htpp://www.science.oas.org