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1 1 TRATAMIENTO ANAEROBIO DE AGUAS RESIDUALES FUNDAMENTOS La remoci n de materia org nica constituye uno de los objetivos del tratamiento de las aguas residuales, utiliz ndose en la mayor a de los casos procesos biol gicos. El mecanismo m s importante para la remoci n de la materia org nica presente en el agua residual, es el metabolismo bacteriano. El metabolismo consiste en la utilizaci n por parte de las bacterias, de la materia org nica como fuente de energ a y carbono para generar nueva biomasa. Cuando la materia org nica es metabolizada, parte de ella es trasformada qu micamente a productos finales, en un proceso que es acompa ado por la liberaci n de energ a llamado Catabolismo . Otro proceso denominado Anabolismo S ntesis ocurre simult neamente, donde parte de la materia org nica se transforma en nuevo material celular (ver Figura 1).

2 Figura 1. Representaci n Esquem tica del Metabolismo Bacteriano (Van Haandel, 1994) El anabolismo es un proceso que consume energ a y solamente es viable si el catabolismo est ocurriendo para proporcionarle la energ a necesaria para la s ntesis celular. Por otro lado, el catabolismo solo es posible si existe la presencia de una poblaci n bacteriana viva. El catabolismo se divide en dos procesos fundamentalmente diferentes: (1) Catabolismo Oxidativo y (2) Catabolismo Fermentativo. El catabolismo oxidativo es una reacci n redox, donde la materia org nica es el reductor que es oxidada por un oxidante. En la pr ctica ese oxidante puede ser el ox geno, nitrato o sulfato. El catabolismo fermentativo se caracteriza por el hecho de no haber presencia de un oxidante: el METABOLISMO METABOLISMO CATABOLISMO 1 - pY PRODUCTOS + ENERG A ENERG A PARA EL AMBIENTE DECAIMIENTO BACTERIANO RESIDUO ENDOGENO CELULAS NUEVAS (Y) ANABOLISMO pY MATERIA ORGANICA JENNY ALEXANDRA RODR GUEZ V.

3 ING. SANITARIA Msc. Profesora Asociada de la Universidad el Valle. Cali - Colombia 2 proceso resulta en un reordenamiento de los electrones de la mol cula fermentada de un modo tal que se forman como m nimo dos productos. Generalmente son necesarias varias fermentaciones secu nciales para que se formen productos estabilizados. DIGESTI N ANAEROBIA La Digesti n Anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de las aguas residuales. El proceso se caracteriza por la conversi n de la materia org nica a metano y de CO2, en ausencia de ox geno y con la interacci n de diferentes poblaciones bacterianas (ver Figura 2). Figura 2. Degradaci n Biol gica de la Materia Org nica La digesti n anaerobia es un proceso que se produce en ambientes naturales como los pantanos, en zonas anegadas para el cultivo de arroz, en los sedimentos de lagos y mares, en las zonas an xicas del suelo, en fuentes de aguas termales sulfurosas y en el tracto digestivo de los rumiantes (D az-B ez, 2002).

4 Balance: En el campo del tratamiento de las aguas residuales, la contaminaci n org nica es evaluada a trav s de la DQO (demanda qu mica de ox geno), la cual mide b sicamente la concentraci n de materia org nica. La forma de apreciar lo que ocurre con la materia org nica en el tratamiento anaerobio de aguas residuales, es comparando su balance de DQO con el del tratamiento aerobio (ver Figura 3 y 4). Figura 3. Balance Anaerobio de la Materia org nica ( ) MATERIA ORGANICA Microorganismos Anaerobios CH4 + CO2 Biog s BALANCE ANAEROBIO DE LA DQO 10% 90% LODO CH4 DQO 3 Figura 4. Balance Aerobio de la Materia org nica ( ) Tratamiento Anaerobio: La digesti n anaerobia es un proceso de transformaci n y no de destrucci n de la materia org nica, como no hay presencia de un oxidante en el proceso, la capacidad de transferencia de electrones de la materia org nica permanece intacta en el metano producido.

5 En vista de que no hay oxidaci n, se tiene que la DQO te rica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la materia org nica digerida (90 a 97%), una m nima parte de la DQO es convertida en lodo (3 a 10%). En las reacciones bioqu micas que ocurren en la digesti n anaerobia, solo una peque a parte de la energ a libre es liberada, mientras que la mayor parte de esa energ a permanece como energ a qu mica en el metano producido. Tratamiento Aerobio: En este tipo de tratamiento se llevan a cabo procesos catab licos oxidativos. Como el catabolismo oxidativo requiere la presencia de un oxidante de la materia org nica y normalmente este no esta presente en las aguas residuales, l requiere ser introducido artificialmente. La forma m s conveniente de introducir un oxidante es por la disoluci n del ox geno de la atm sfera, utilizando la aireaci n mec nica, lo que implica altos costos operacionales del sistema de tratamiento.

6 Adicionalmente la mayor parte de la DQO de la materia org nica es convertida en lodo, que cuenta con un alto contenido de material vivo que debe ser estabilizado. DEGRADACI N ANAEROBIA DE LA MATERIA ORG NICA La degradaci n anaerobia de la materia org nica requiere la intervenci n de diversos grupos de bacterias facultativas y anaerobias estrictas, las cuales utilizan en forma secuencial los productos metab licos generados por cada grupo. La digesti n anaerobia de la materia org nica involucra tres grandes grupos tr ficos y cuatro pasos de transformaci n: 1. Hidr lisis ? Grupo I: bacterias hidrol ticas 2. Acidog nesis ? Grupo I: bacterias fermentativas BALANCE AEROBIO DE LA DQO LODO DQO 50% 50% Calor + O2 4 3. Acetog nesis ? Grupo II: bacterias acetog nicas 4. Metanog nesis ? Grupo III: bacterias metanog nicas El proceso se inicia con la hidr lisis de polisac ridos, prote nas y l pidos por la acci n de enzimas extracelulares producidas por las bacterias del Grupo I.

7 Los productos de esta reacci n son mol culas de bajo peso molecular como los az cares, los amino cidos, los cidos grasos y los alcoholes, los cuales son transportados a trav s de la membrana celular; posteriormente son fermentados a cidos grasos con bajo n mero de carbonos como los cidos ac tico, f rmico, propi nico y but rico, as compuestos reducidos como el etanol, adem s de H2 y CO2. Los productos de fermentaci n son convertidos a acetato, hidr geno y di xido de carbono por la acci n de las bacterias del Grupo II, las cuales son conocidas como bacterias acetog nicas productoras de hidr geno . Finalmente las bacterias del Grupo III o metanog nicas convierten el acetato a metano y CO2, o reducen el CO2 a metano (ver Figura 5). Estas Transformaciones involucran dos grupos metanog nicos que son los encargados de llevar a cabo las transformaciones mencionadas anteriormente: acetotr ficas e hidrogenotr ficas.

8 En menor proporci n, compuestos como el metanol, las metilaminas y el cido f rmico pueden tambi n ser usados como sustratos de el grupo metanog nico (D az-B ez, 2002). Figura 5. Etapas de la Digesti n Anaerobia (Madigan, 1997, van Haandel, 1994) 30% 70% 12% 35% CH4 ACETATO H2 + CO2 8% 11% 23% 39% 21% 40% PROTE NAS POLISAC RIDOS L PIDOS MATERIA ORG NICA AMINO CIDOS AZ CARES CIDOS GRASOS 34% 5% 66% 34% PROPIONATO, BUTIRATO 20% 11% HIDR LISIS ACIDOGEN SIS ACETOGEN SIS METANOGEN SIS B. Hidrol ticas B. Fermentativas B. acetog nicas productoras de H2 B. Homoacetog nicas B. metanog nicas acetocl sticas B. metanog nicas hidrogenof licas 100% 5 Deben ser tenidos en cuenta dos puntos importantes, con respecto a los diferentes procesos que ocurren durante la digesti n anaerobia de la materia org nica: 1. Seg n la Figura 5 se observa que solamente cerca del 30% de la materia org nica afluente es convertida a metano por la v a hidrogenof lica, por lo tanto una condici n necesaria para obtener una ptima remoci n de la materia org nica en un sistema anaerobio, es que la metanog nesis acetocl stica se desarrolle eficientemente.

9 2. La fermentaci n cida tiende a bajar el pH, debido a la producci n de cidos grasos vol tiles (AGVs) y otros productos intermediarios, mientras que la metanog nesis solo se desarrolla cuando el pH esta cercano al neutro. Por lo tanto, si por alguna raz n la tasa de remoci n de AGVs a trav s de la metanog nesis no acompa a a la tasa de producci n de AGVs, puede surgir una situaci n de inestabilidad: baja significativamente el pH del sistema, causando la inhibici n de las bacterias metanog nicas. Esta Acidificaci n del sistema es una de las principales causas de falla operacional en los reactores anaerobios. Lo anterior puede ser evitado cuando se garantiza un equilibrio entre la fermentaci n cida y la fermentaci n metanog nica, a trav s de mantener una alta capacidad metanog nica y una buena capacidad buffer en el sistema (van Haandel, 1994) En la Tabla 1, se consignan las principales reacciones bioqu micas que se llevan a cabo en el proceso de la digesti n anaerobia.

10 Tabla 1. Reacciones Bioqu micas en la Digesti n Anaerobia de la Materia Org nica TIPO DE REACCI N ECUACI N Fermentaci n de glucosa a acetato Glucosa + 4H2O ? CH3 COO- + 4H+ + 4H2 Fermentaci n de glucosa a butirato Glucosa + 2H2O ? C4H7O2 + 2 HCO3 + 3H+ + 2H2 Fermentaci n del butirato a acetato e H2 Butirato + 2H2O ? 2CH3 COO- + H+ + H2 Fermentaci n del propionato a acetato Propionato + 3H2 ? CH3 COO- + HCO3- + H+ + H2 Acetog nesis a partir de H2 y CO2 HCO3- + H+ + 4H2 ? CH3 COO- + 2H2O Metanog nesis a partir del CO2 e H2 HCO3- + 4H2 ? CH4 + 3H2O Metanog nesis a partir del acetato Acetato + H2O ? CH4 + HCO3 + H+ Fuente: Zinder, 1984 6 MICROBIOLOG A DE LA DIGESTI N ANAEROBIA Grupo I: Bacterias Hidrol ticas Fermentativas Las bacterias que llevan a cabo las reacciones de hidr lisis y acidog nesis son anaerobias facultativas y los g neros m s frecuentes que participan son los miembros de la familia Enterobacteriaceae , adem s los g neros Bacillus, Peptostreptococcus, Propionibacterium, Bacteroides, Micrococcus y Clostridium.