La biodegradabilidad describe la capacidad de los compuestos orgánicos para ser descompuestos por los procesos metabólicos de microorganismos como bacterias, hongos o algas. En el tratamiento de aguas industriales y residuales, esta propiedad es de crucial importancia para evaluar la compatibilidad medioambiental de las sustancias y desarrollar procesos de tratamiento adecuados.
Índice
Fundamentos técnicos
La biodegradabilidad se divide en procesos aeróbicos y anaeróbicos.
- Degradabilidad aeróbica tiene lugar en presencia de oxígeno, mediante el cual los microorganismos convierten los compuestos orgánicos en dióxido de carbono (CO₂), agua (H₂O) y biomasa. Este proceso se utiliza ampliamente en las plantas de tratamiento biológico de aguas residuales, especialmente en los procesos de fangos activados o biopelículas.
- Degradabilidad anaerobia tiene lugar en ausencia de oxígeno, produciendo metano (CH₄), dióxido de carbono e hidrógeno (H₂) como productos finales. Los procesos anaeróbicos se utilizan en torres de digestión o reactores de biogás, en particular, para descomponer sustancias orgánicas y generar simultáneamente energía en forma de biogás.
Métodos de valoración
En el tratamiento de aguas residuales industriales, la biodegradabilidad de una sustancia suele determinarse mediante pruebas como la demanda bioquímica de oxígeno (DBO₅) o la demanda química de oxígeno (DQO). La DBO₅ mide el consumo de oxígeno de los microorganismos durante un periodo de 5 días y proporciona una indicación de la cantidad de sustancias orgánicas biodegradables en las aguas residuales. Una relación DBO₅/CSB elevada indica una buena biodegradabilidad, mientras que una relación baja indica que una proporción significativa de los compuestos orgánicos son difíciles o imposibles de biodegradar.
Foto: Foto de nuestra filtración biológicamente activada, un proceso combinado de limpieza mecánica y biodegradación(ALMA BHU BAF)
Papel de los macronutrientes
Para que los microorganismos descompongan eficazmente las sustancias orgánicas, no sólo necesitan los compuestos orgánicos a tratar (fuentes de carbono), sino también un suministro equilibrado de macronutrientes, en particular nitrógeno (N) y fósforo (P), así como oxígeno (O) en los procesos aeróbicos. Estos nutrientes desempeñan un papel fundamental en la estructura celular y la producción de energía de los microorganismos:
Carbono (C): Los compuestos orgánicos de las aguas residuales son la principal fuente de carbono para los microorganismos y sirven tanto como fuente de energía como para construir biomasa.
Nitrógeno (N): Se necesita principalmente en forma de amonio (NH₄⁺) o nitrato (NO₃-). El nitrógeno es esencial para la formación de proteínas, ácidos nucleicos y enzimas, necesarios para el crecimiento y el funcionamiento de los microorganismos.
Fósforo (P): Principalmente disponible en forma de fosfatos, el fósforo es necesario para la síntesis de ácidos nucleicos y trifosfato de adenosina (ATP), una molécula central para la transferencia de energía en las células.
Proporciones óptimas de nutrientes
En la práctica, la relación C:N (carbono:nitrógeno) se ha establecido como un parámetro decisivo para evaluar los procesos de degradación en las plantas biológicas. Una proporción frecuentemente recomendada para una degradación biológica eficiente en el tratamiento de aguas residuales industriales es de alrededor de 100:5:1, lo que significa que debe haber alrededor de 5 partes de nitrógeno y 1 parte de fósforo por cada 100 partes de carbono orgánico. Las desviaciones de esta proporción pueden tener un impacto negativo en el proceso de degradación:
- La falta de nitrógeno hace que los microorganismos no puedan acumular suficiente biomasa, lo que provoca un descenso de la actividad biológica.
- La carencia de fósforo limita la transferencia de energía y la división celular, lo que también provoca una degradación ineficaz.
En la práctica industrial, la dosificación de nutrientes se realiza a menudo para garantizar la proporción óptima de nutrientes en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Esto es especialmente relevante en el caso de aguas residuales altamente contaminadas orgánicamente procedentes de la industria alimentaria o de aguas residuales que sólo contienen pequeñas cantidades de nitrógeno y fósforo debido a los procesos de producción.
Oligoelementos en la biodegradabilidad
Además de los macronutrientes, los oligoelementos son necesarios en bajas concentraciones para apoyar los procesos enzimáticos de los microorganismos. Estos elementos desempeñan a menudo un papel catalítico en diversas reacciones bioquímicas. Los oligoelementos más importantes son
Hierro (Fe): Es necesario como componente de muchas enzimas, especialmente en la cadena de transporte de electrones y en la transferencia de oxígeno.
Zinc (Zn): Está contenido en muchas enzimas que intervienen en la síntesis de proteínas y ADN. El zinc también interviene en la regulación del valor del pH en las células.
Cobre (Cu): También tiene una función catalítica y participa en reacciones redox que son importantes para la producción de energía de los microorganismos.
Manganeso (Mn): Actúa como cofactor de las enzimas que intervienen en la descomposición de sustancias orgánicas.
Cobalto (Co): Es un componente de la vitamina B12, que desempeña un papel clave en las vías metabólicas de las bacterias, especialmente en la síntesis de aminoácidos.
En muchas aplicaciones industriales, la concentración de estos oligoelementos es suficiente. Cuando estos elementos faltan o están muy reducidos, puede producirse una inhibición de los procesos de degradación biológica. En tales casos, suele ser necesario añadir estos oligoelementos a las aguas residuales para optimizar la degradación.
Foto: Tanque de aireación para la biodegradación de nuestro proceso ALMA BHU BIO
Métodos de valoración
En el tratamiento de aguas residuales industriales, la biodegradabilidad de una sustancia suele determinarse mediante pruebas como la demanda bioquímica de oxígeno (DBO₅) o la demanda química de oxígeno (DQO). La DBO₅ mide el consumo de oxígeno de los microorganismos durante un periodo de 5 días y proporciona una indicación de la cantidad de sustancias orgánicas biodegradables en las aguas residuales. Una relación DBO₅/CSB elevada indica una buena biodegradabilidad, mientras que una relación baja indica que una proporción significativa de los compuestos orgánicos son difíciles o imposibles de biodegradar.
Pertinencia en la práctica
En el tratamiento de aguas residuales industriales, el conocimiento de la biodegradabilidad de las sustancias es crucial para la elección del proceso de tratamiento. Las sustancias fácilmente biodegradables pueden tratarse eficazmente en plantas biológicas convencionales, como los procesos de lodos activados o los reactores de lecho fijo. En cambio, las sustancias difíciles de biodegradar o tóxicas, como ciertos complejos de metales pesados o los hidrocarburos clorados, suelen requerir procesos adicionales como la adsorción, la oxidación química (por ejemplo, el proceso Fenton) o la filtración por membrana para lograr una reducción suficiente de los contaminantes.
La biodegradabilidad de los productos químicos utilizados en el tratamiento del agua de refrigeración o en la limpieza de las membranas de los sistemas de ósmosis inversa también es importante. Productos como los biocidas o los antiincrustantes deben seleccionarse de tal forma que no sólo sean eficaces en su uso, sino que también puedan degradarse o eliminarse de forma segura tras su utilización para minimizar el impacto ambiental.
Conclusión
La biodegradabilidad no sólo depende del tipo de compuestos orgánicos, sino también de una distribución equilibrada de nutrientes. Un suministro suficiente de macronutrientes como el nitrógeno y el fósforo, así como la disponibilidad de oligoelementos esenciales, es crucial para la degradación eficaz de los compuestos orgánicos en las plantas de tratamiento de aguas residuales industriales. Por lo tanto, las proporciones óptimas de nutrientes y su correcta adición son factores importantes para garantizar la eficacia de los procesos de tratamiento biológico y minimizar la contaminación ambiental.
