Introducción

El tratamiento biológico anaeróbico es un proceso ampliamente utilizado para degradar contaminantes orgánicos en ausencia de oxígeno, generando metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂) como subproductos. Este método es altamente eficiente para la estabilización de aguas residuales y lodos de alta concentración, ofreciendo ventajas como un bajo consumo energético y una mínima producción de lodos. Sin embargo, su rendimiento depende de varios factores críticos:

(1) temperatura, (2) pH, (3) tasa de carga orgánica (OLR), (4) balance de nutrientes, (5) potencial de oxidación-reducción (ORP), (6) alcalinidad, (7) sustancias tóxicas y (8) tiempo de retención hidráulica (HRT).

Comprender estos factores es esencial para optimizar la estabilidad del proceso y la eficiencia del tratamiento.

Tiempo de retención hidráulica (TRH)

Es fundamental garantizar tanto el tiempo de retención hidráulica (TRH) como el tiempo de retención de sólidos (TRS) en el tratamiento biológico anaerobio. El TRH está relacionado con la naturaleza de los contaminantes orgánicos presentes en las aguas residuales a tratar: los compuestos orgánicos simples de bajo peso molecular requieren un TRH más corto, mientras que los compuestos orgánicos macromoleculares complejos requieren un TRH más largo. El TRS en los procesos de tratamiento biológico anaerobio generalmente se prolonga para asegurar una biomasa suficiente en el reactor.

Una carga hidráulica excesiva que provoque un TRH demasiado corto puede provocar la eliminación de microorganismos del reactor. Por lo tanto, intentar tratar aguas residuales de baja concentración mediante procesos de crecimiento en suspensión como el UASB en condiciones de TRH cortos suele ser poco práctico. Para aplicar económicamente la tecnología anaeróbica a aguas residuales de baja concentración... Tratamiento de aguas residuales, es necesario aumentar la relación SRT a HRT, es decir, mejorando la biomasa dentro del reactor.

La influencia de la TRH en los procesos anaeróbicos se refleja principalmente en la velocidad de flujo ascendente. Por un lado, una mayor velocidad de flujo puede mejorar la turbulencia en la zona de entrada del sistema de aguas residuales, mejorando así el contacto entre el lodo biológico y la materia orgánica en el afluente y aumentando la eficiencia de eliminación orgánica. Cuando se utiliza UASB convencional para el tratamiento de aguas residuales, generalmente se requiere una velocidad de flujo ascendente de al menos 0,5 m/h para promover la formación de lodos granulados. Por otro lado, para mantener suficiente lodo en el sistema, la velocidad de flujo ascendente no debe superar un cierto límite; de ​​lo contrario, la altura del reactor anaeróbico se volvería impracticablemente alta. Particularmente en el tratamiento anaeróbico de aguas residuales de baja concentración, la TRH es un parámetro de control del proceso más crítico que la carga orgánica.

Tratamiento biológico anaeróbico de aguas residuales

Tasa de carga orgánica

1. La tasa de carga orgánica (TLO) de un biorreactor anaeróbico se refiere generalmente a la tasa de carga volumétrica, la cual afecta directamente la eficiencia del tratamiento y la producción de biogás. Dentro de un cierto rango, a medida que aumenta la TLO, aumenta la producción de biogás. Sin embargo, un aumento de la TLO acorta inevitablemente el tiempo de retención, lo que reduce la tasa de descomposición de la materia orgánica influente y, en consecuencia, disminuye la producción de biogás por unidad de masa de materia orgánica.

2. El funcionamiento estable de un sistema de tratamiento anaeróbico depende del equilibrio entre las tasas de acidogénesis y metanogénesis. Si la OLR es demasiado alta, la tasa de producción de ácido puede superar la tasa de consumo de ácido por los metanógenos, lo que provoca la acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV) y una rápida caída del pH, lo que inhibe la metanogénesis. En casos graves, la producción de metano puede cesar, provocando el colapso de todo el sistema, lo que dificulta enormemente la recuperación y el ajuste.

3. Si el aumento de OLR se debe a un mayor caudal de afluente, una carga hidráulica excesiva puede provocar que la tasa de lavado de lodos exceda su tasa de crecimiento, lo que reduce aún más la eficiencia del tratamiento del sistema.

4. Si el OLR del influente es demasiado bajo, aunque el rendimiento del biogás y la eficiencia de eliminación de materia orgánica pueden mejorar, la tasa de utilización del equipo disminuye, lo que genera mayores costos de inversión y operación.

Nutrientes

En comparación con los procesos aeróbicos, los procesos anaeróbicos reducen significativamente la síntesis de biomasa microbiana, disminuyendo así proporcionalmente la demanda de nutrientes distintos del nitrógeno. Además del nitrógeno (N) y el fósforo (P), ciertos compuestos azufrados (p. ej., los sulfatos) y algunos metales traza desempeñan un papel crucial en la activación de los metanógenos. Si bien los metanógenos tienen requerimientos específicos de azufre y fósforo, concentraciones muy bajas de estos elementos en el reactor suelen ser suficientes. Sin embargo, las concentraciones de nitrógeno generalmente deben mantenerse entre 40 y 70 mg/L para mantener la actividad metanogénica.

Todos los microorganismos requieren metales traza, pero sus niveles en el tratamiento biológico anaeróbico pueden afectar significativamente el rendimiento operativo. El hierro (Fe), el cobalto (Co), el níquel (Ni) y el zinc (Zn) son los metales traza con efectos activadores más comunes, mientras que algunos estudios sugieren que el tungsteno (W), el manganeso (Mn), el molibdeno (Mo), el selenio (Se) y el boro (B) también pueden estimular el metabolismo metanógeno.

El metano se produce a partir de diferentes especies de metanógenos, cada una con requisitos ambientales y de metales traza únicos. La experiencia operativa demuestra que una deficiencia de incluso un solo metal traza puede perjudicar gravemente todo el proceso de tratamiento biológico. Si bien los metales traza por sí solos no pueden resolver todos los desafíos operativos del tratamiento anaeróbico, su presencia es un prerrequisito fundamental. Muchos sistemas anaeróbicos de tratamiento de aguas residuales industriales no alcanzan el rendimiento esperado debido a deficiencias en uno o más metales traza. Por lo tanto, la suplementación con metales traza debe considerarse un ajuste operativo necesario.

Los microorganismos anaeróbicos requieren una proporción específica de carbono (C), nitrógeno (N), fósforo (P) y otros oligoelementos para su crecimiento y reproducción. Sin embargo, dado que los microbios anaeróbicos utilizan el carbono con menor eficiencia que los microbios aeróbicos, la proporción recomendada de C:N:P en sistemas anaeróbicos suele ser DQO _Cr :N:P = (200–300):5:1. Además, dependiendo de las condiciones específicas, puede ser necesario suplementar oligoelementos esenciales como sulfuros, hierro, níquel, zinc, cobalto y molibdeno.

El suministro de fuentes de nitrógeno en el tratamiento anaeróbico no solo favorece la síntesis de biomasa microbiana, sino que también mejora la capacidad de amortiguación del reactor. Un nivel insuficiente de nitrógeno (es decir, una relación C/N alta) puede ralentizar la proliferación de microbios anaeróbicos y reducir la capacidad de amortiguación, lo que provoca una disminución del pH. Por el contrario, un exceso de nitrógeno (una relación C/N baja) provoca su acumulación, lo que eleva el pH. Si el pH supera 8, se inhibe la actividad metanógena, lo que reduce la eficiencia de la digestión.

Potencial de oxidación-reducción (ORP)

Un ambiente anaeróbico es una de las condiciones fundamentales para el crecimiento y la reproducción de los metanógenos estrictamente anaeróbicos. A diferencia de las bacterias aeróbicas, los metanógenos carecen de catalasa, lo que los hace muy sensibles al oxígeno y a los agentes oxidantes. La concentración de oxígeno disuelto en el agua puede representarse indirectamente mediante el potencial de oxido-reducción (ORP).

En la digestión anaeróbica, la fase no metanogénica puede transcurrir en condiciones facultativas con un rango de ORP de +100 mV a -100 mV. Sin embargo, el ORP crítico para la fase metanogénica es de -200 mV. Para la digestión mesófila o a temperatura ambiente, el ORP debe mantenerse entre -300 mV y -350 mV, mientras que para la digestión termófila, debe controlarse entre -560 mV y -600 mV.

Si bien el contenido de oxígeno disuelto en el licor mixto es un factor importante que afecta el ORP en los reactores anaeróbicos, no es el único. Otros factores, como la concentración de ácidos grasos volátiles (AGV), las fluctuaciones del pH y la concentración de iones amonio, también pueden influir en los cambios de ORP. Por ejemplo, un pH más bajo corresponde a un ORP más alto, mientras que un pH más alto resulta en un ORP más bajo.