Fundamentos de procesos biológicos

1. Biología de los sistemas de tratamiento.

Ojetivos del tratamiento biológico:

1. Estabilización de materia orgánica (soluble, particulada)
2. Eliminación de compuestos nitrogenados ($NO_2^{-}, NO_3^{-}, NH_4^{+}$), fosfatos ($PO_4^{3-}$) y otros nutrientes.
3. Recuperación de energía (i.e. $CH_4, C_2H_6O$)

¿En qué se fundamentan los procesos biológicos?

• Uso de microorganismos, principalmente bacterias, que actúan de biocatalizadores en la conversión de la materia orgánica y nutrientes.

Clasificación de los microoranismos

Fuente de energía	Fuente de carbono
Fototrofos	Autótrofos ($CO_2$)
Quimiotrofos	Heterótrofos (m.o.)

Microorganismos de importancia implicados:

BACTERIAS:

• Procariotas unicelulares
• Degradación de materia orgánica, nitrógeno y fósforo
• Bacterias Aerobias y/o Anaerobias. Heterótrofas y autótrofas
• Tamaño: 0.5 a 3 µm

HONGOS:

• Microorganismos heterótrofos, NO fotosintéticos
• Compiten con las bacterias por la materia orgánica
• Prefieren pH bajos (de 3 a 8.5)
• Tamaño y forma: filamentos de ~5 µm de diámetro y hasta 200 µm de longitud

ALGAS:

• Microorganismos unicelulares o multicelulares
• Autótrofas y fotosintéticas.
• Poca importancia en reactores de tratamiento de aguas

PROTOZOOS:

• Microorganismos móviles unicelulares. Heterótrofos aerobios --> La mayor parte.
• Se suelen alimentar de BACTERIAS.
• Tamaño: 10 - 200 µm

METAZOOS:

• Microorganismos pluricelulares (Crustáceos, nemátodos, gusanos...)
• Se suelen alimentar de BACTERIAS.
• Tamaño: 100 - 200 µm

Reacción global

$Microorganismos + Sustratos + Nutrientes \rightarrow \textcolor{red}{Nuevos\ Microorg.} + \textcolor{green}{Productos finales} + \textcolor{orange}{Energia}$

a. Reacción de síntesis: Procesos asimilatorios: Anabolismo

$Microorganismos + substratos + Nutrientes + \textcolor{orange}{Energia} \rightarrow \textcolor{red}{Nuevos\ Microorg. (C_5H_7O_2N)}$

b. Reación energía: Procesos disimilatorios: Catabolismo

$Microorganismos + substratos \rightarrow \textcolor{green}{CO_2 + NH_3 + otros\ productos} + \textcolor{orange}{Energia}$

c. Reacciones de metabolismo endógeno:

$C_5H_7O_2N + 5O_2 \rightarrow 5CO_2 + NH_3 + 2H_2O + \text{Energía}$

Cálculos de diseño:

1. Superficie requerida
2. Cantidad de metano generado
3. Cantidad de lixiviado generado
4. Cantidad de lixiviado infiltrado

1. Superficie requerida

$$S = \frac{P \cdot R_{c} \cdot t}{\rho_{rc} \cdot H}$$

• S: Superficie $[m^2]$
• P: Población a atender $[habitantes]$
• Rc: Residuos generados per cápita $[\frac{kg}{hab \cdot \text{año}}]$
• t: Tiempo de vida útil de relleno $[\text{años}]$
• $\rho_{rc}$: Densidad del residuo compactado $[\frac{kg}{m^3}]$
• H: Altura máxima permitida $[m]$

2. Cantidad de metano generado

$$Q_{CH_4} = R_{c} \cdot P \cdot r_{gas}$$

• $Q_{CH_4}$: Caudal de metano $[\frac{m^3CH_4}{\text{año}}]$
• $r_{gas}$: Potencial de producción de $CH_4$ $[\frac{m^3CH_4}{kg}]$
• $r_{gas}$: $0.15-0.25 m^3 \frac{CH_4}{kg}$ (Experimentalmente)

OJO

Es diferente a la cantidad de metano recuperado (15-35%)

3. Cantidad de lixiviado generado

Capacidad de campo (CC)

Fracción máxima de humedad que el residuo es capaz de retener. Se calcula por base seca de residuo.

$$CC = 0.6 - 0.55 \cdot (\frac{W}{4500 + W})$$

• CC: Capacidad de campo del residuo $[\frac{kg H_2O}{kg\ residuo\ seco}]$
• W: Peso de sobrecarga calculado a la altura media del residuo $[\frac{kg}{m^2}]$

Balance hídrico

$$P_r = P - ET - R - \Delta S$$

• $P_r$: Lixiviado $[\frac{m^3}{\text{año} \cdot m^2}]$
• $P$: Precipitación $[\frac{m^3}{\text{año} \cdot m^2}]$
• ET: Evapotranspiración $[\frac{m^3}{\text{año} \cdot m^2}]$
• R: Escorrentía superficial $[\frac{m^3}{\text{año} \cdot m^2}]$
• $\Delta S$: Cambio de agua almacenada $[\frac{m^3}{\text{año} \cdot m^2}]$

4. Cantidad de lixiviado infiltrado

Ley de Darcy

$$Q = K \cdot (\frac{\Delta h}{\Delta L}) \cdot \frac{S}{\epsilon}$$

• $Q$: Caudal de lixiviado infiltrado $[\frac{m^3}{s}]$
• $K$: Coeficiente de permeabilidad del forro $[\frac{m}{s}]$
• $\Delta h$: Diferencia de nivel entre el lixiviado y el subsuelo $[s]$
• $\Delta L$: Espesor del forro $[m]$
• $S$: Superficie del forro $[m^2]$
• $\epsilon$: Porosidad del forro