La degradación microbiana es un proceso clave en el tratamiento del agua y las aguas residuales en el que los microorganismos descomponen las sustancias orgánicas en compuestos más simples. Estos procesos bioquímicos son esenciales para la eliminación de impurezas orgánicas, nutrientes como el nitrógeno y el fósforo, así como sustancias nocivas de las aguas residuales. La degradación microbiana tiene lugar en diversas condiciones, en las que influyen significativamente la disponibilidad de oxígeno y otros aceptores de electrones.
Las tres formas principales de degradación microbiana - aeróbica, anaeróbica y anóxica - desempeñan un papel crucial en los sistemas de tratamiento biológico, como los procesos de fangos activados, los reactores anaeróbicos (plantas de biogás) y la biofiltración. Este artículo ofrece una explicación detallada de los procesos, los antecedentes técnicos y sus aplicaciones en la práctica.
Índice
Fundamentos de la degradación microbiana
La degradación microbiana se basa en las actividades metabólicas de microorganismos como bacterias, hongos y arqueas. Estos microorganismos utilizan sustancias orgánicas o inorgánicas como fuente de energía y las descomponen en determinadas condiciones ambientales.
Principales etapas del proceso de desmantelamiento:
- Hidrólisis: las moléculas orgánicas grandes (por ejemplo, proteínas, hidratos de carbono) se descomponen en unidades más pequeñas mediante enzimas.
- Fermentación: Los productos de descomposición se convierten en ácidos orgánicos simples, alcoholes o gases como hidrógeno y dióxido de carbono.
- Degradación final: Los productos se mineralizan completamente (por ejemplo, a CO₂, H₂O, NH₃, CH₄) o se incorporan a la biomasa.
Degradación microbiana aeróbica
Definición y mecanismo
En la degradación aeróbica, los microorganismos utilizan el oxígeno como aceptor de electrones para oxidar las sustancias orgánicas. Este proceso es especialmente eficaz y conduce a una amplia mineralización de las sustancias orgánicas.
Fundamentos bioquímicos:
- Receptor de electrones: oxígeno molecular (O₂).
- Principales productos finales: Dióxido de carbono (CO₂), agua (H₂O) y biomasa.
Aplicaciones en la tecnología del agua y las aguas residuales
- Proceso de fangos activados:
En un medio aerobio, los microorganismos oxidan las sustancias orgánicas disueltas (DQO, DBO). La biomasa se retiene en forma de lodos activados y se elimina regularmente en exceso. - Sistemas SBR:
En los reactores discontinuos secuenciales, la degradación aeróbica tiene lugar en fases temporales controladas. - Filtros percoladores y filtros de discos sumergidos:
Las biopelículas sobre medios sólidos favorecen la degradación aeróbica de compuestos orgánicos.
Ventajas
- Rápida degradación.
- Alta eficacia en la eliminación de compuestos de carbono.
- Produce productos finales estables (CO₂, H₂O).
Los retos
- Elevado consumo de energía para la ventilación.
- Formación de un exceso de lodo que debe eliminarse.
Foto: Tanque de aireación con desnitrificación y nitrificación para aguas residuales de la industria alimentaria (proceso: ALMA BHU BIO)
Degradación microbiana anaerobia
Definición y mecanismo
La degradación anaeróbica tiene lugar en ausencia de oxígeno. Los microorganismos utilizan aceptores de electrones alternativos como el nitrato, el sulfato o el dióxido de carbono. Este proceso es más lento que la degradación aeróbica, pero puede llevarse a cabo de forma energéticamente eficiente.
Fundamentos bioquímicos
- Aceptores de electrones: dióxido de carbono (CO₂), sulfato (SO₄²-) o compuestos orgánicos.
- Principales productos finales: Metano (CH₄), dióxido de carbono (CO₂), hidrógeno (H₂), sulfuro de hidrógeno (H₂S).
Aplicaciones en la tecnología del agua y las aguas residuales
- Digestión anaeróbica:
Las sustancias orgánicas se descomponen en metano y CO₂ en torres de digestión. El biogás producido puede utilizarse para generar energía. - Reactores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket):
Estos reactores utilizan biomasa granulada para el tratamiento de aguas residuales industriales con elevadas cargas orgánicas. - Reactores EGSB (Lecho de lodo granular expandido):
Los modernos reactores EGSB utilizan la degradación anaeróbica en combinación con un flujo hidráulico expandido para tratar la materia orgánica con gran eficacia. Mediante el uso de biomasa granular y unas condiciones de flujo optimizadas, consiguen una elevada velocidad de reacción y una separación eficaz de la biomasa sin sistemas de filtración adicionales como las membranas. Esta tecnología ofrece ventajas particulares en el tratamiento de aguas residuales muy contaminadas, ya que combina un diseño compacto con una gran estabilidad del proceso.
Ventajas
- Producción de biogás como fuente de energía.
- Baja producción de lodos.
- Adecuado para aguas residuales con altas cargas orgánicas.
Los retos
- Se requieren tiempos de permanencia más largos.
- Sensible a las perturbaciones (por ejemplo, valor pH, temperatura).
- Formación de gases olorosos (H₂S).
Foto: Tratamiento anaeróbico en el reactor de biogás GMR de ALMA BHU
Degradación microbiana anóxica
Definición y mecanismo
La degradación anóxica tiene lugar en ausencia de oxígeno molecular, pero en presencia de aceptores alternativos de electrones como el nitrato (NO₃-). Este proceso es crucial para la eliminación del nitrógeno de las aguas residuales.
Fundamentos bioquímicos
- Receptor de electrones: nitrato (NO₃-) o nitrito (NO₂-).
- Principales productos finales: Gas nitrógeno (N₂), dióxido de carbono (CO₂), agua (H₂O).
Aplicaciones en la tecnología del agua y las aguas residuales
- Desnitrificación:
En las etapas de tratamiento biológico, el nitrato y el nitrito se convierten en nitrógeno gaseoso, que se escapa. Esto reduce la carga de nutrientes en las masas de agua y evita la eutrofización. - Reactores híbridos:
Sistemas que combinan zonas aerobias y anóxicas para conseguir una eliminación completa del nitrógeno. - Proceso de fangos activados con aireación intermitente:
Las fases anóxicas se alternan con las aerobias para combinar la eliminación de carbono y nitrógeno en un solo sistema.
Ventajas
- Eliminación eficaz del nitrógeno.
- Reducción de la contaminación por nutrientes en las aguas superficiales.
Los retos
- Requiere un control preciso de las condiciones ambientales (por ejemplo, el contenido de oxígeno).
- Dependencia de fuentes de carbono suficientes para el proceso de desnitrificación.
Foto: Nuestro sistema de biofiltración ALMA BioFil Compact con nitrificación y desnitrificación para el reciclaje interno del agua.
Comparación de los procesos de degradación
Conclusión
La degradación microbiana es una parte indispensable del tratamiento de aguas industriales y residuales. La elección entre procesos aerobios, anaerobios y anóxicos depende de los requisitos específicos de las aguas residuales y de los objetivos del tratamiento. Mientras que la degradación aeróbica ofrece tasas de degradación rápidas y productos finales estables, la degradación anaeróbica permite recuperar energía de los residuos orgánicos. La degradación anóxica desempeña un papel crucial en la eliminación del nitrógeno y contribuye a reducir la contaminación por nutrientes de las masas de agua. El control preciso y la integración de estos procesos maximizan la eficacia y la sostenibilidad de los sistemas modernos de tratamiento de aguas.
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