biotecnologia ambiental y tratamiento biologico de residuos (cuba)
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BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL Y TRATAMIENTO BIOLOGICO DE RESIDUOS
Dra. Arelis Abalos Rodríguez
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CAPITULO I. MEDIO AMBIENTE Y CONTAMINACION AMBIENTAL
Medio ambiente. Contaminación ambiental. Política ambiental cubana. Contaminación del agua.
Fuentes contaminantes. Parámetros indicadores de contaminación del agua. Contaminación del
aire. Fuentes contaminantes. Contaminación del suelo. Fuentes contaminantes. Análisis ambiental.
Métodos analíticos en el control de contaminantes ambientales.
El Medio ambiente es un sistema dinámico y complejo (integrado por múltiples interrelaciones
ecológicas, socioeconómicas y culturales), que evoluciona con el desarrollo histórico de la
sociedad. Abarca la naturaleza, la sociedad, el patrimonio histórico-cultural de la humanidad y lo
creado por ésta.
La atmósfera, que provee el aire que respiramos, la litosfera, que provee el suelo que nos
sustenta, la hidrosfera, donde se encuentra el agua que consumimos y la biota, en la se agrupan
todos los seres vivos y donde el hombre es el integrante más activo, forman parte del Medio
Ambiente. La parte de este sistema dinámico donde existe la vida se denomina biosfera.
El funcionamiento de la biosfera puede resumirse como un ciclo en el que se establece un sistema
de relaciones (ecosistemas) que mantiene el equilibrio ecológico sobre la Tierra. La evolución del
comportamiento del hombre, principal modificador del Medio Ambiente, en pos de un desarrollo
tecnológico e industrial ha desencadenado en la actualidad una crisis ambiental o ecológica de
características especiales y alcance mundial. La Cumbre de la Tierra o Cumbre de Río, celebrada
en 1992 señaló entre los indicadores más significativos de la crisis ambiental los siguientes:
• cambio climático como consecuencia del efecto invernadero y la destrucción de la capa de
ozono.
• Deterioro de los suelos
• Pérdida de especies debido al agotamiento de recursos naturales y pérdida de
biodiversidad
AIRE AGUA
SUELO BIOTA
BIOSFERA
Figura 1. Componentes del Medio Ambiente.
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• Aspectos socioeconómicos (explosión demográfica, desequilibrio Norte/Sur, contaminación
severa de las aguas, suelos, aire)
• Incremento de accidentes medioambientales de carácter grave
Estos indicadores tienen su origen en el desarrollo social, las condiciones urbanas e industriales,
exigencias en el avance tecnológico y demanda de recursos energéticos y minerales.
I.1. Contaminación Ambiental
La contaminación ambiental se define como la condición del medio en la cual determinadas
sustancias (contaminantes) están presentes en concentraciones tales que alteran su calidad y
composición, afectando al hombre y los elementos naturales que lo componen. Se plantea que un
contaminante es toda clase de materia o energía que al ser liberado a cualquiera de los
componentes ambientales suelo, agua o aire o en los elementos naturales, cambie o modifique su
estructura y condición natural. Todo proceso que expulse o libere un contaminante al medio
constituye una fuente o foco de contaminación ambiental, exceptuando la contaminación natural,
aunque los procesos naturales pueden introducir sustancias dañinas en el medio ambiente.
Entre los principales contaminantes medioambientales se encuentran los compuestos xenobióticos
(pesticidas, policlorobifenilos, colorantes, fertilizantes, explosivos, hidrocarburos poliaromáticos);
petróleo y sus derivados, residuos sólidos (basura, excretas animales, suero de leche, pulpa de
café); aguas residuales (urbanas, industriales, agropecuarias); metales pesados (Cd, Hg, Cr, Pb, y
otros) y gases tóxicos (compuestos orgánicos volátiles, SOx, NOx, CO y clorofluorocarbonos
fundamentalmente).
Según las características de los diferentes contaminantes vertidos al medio, la contaminación se
puede clasificar como:
Contaminación biológica: tiene lugar cuando existen microorganismos (bacterias, hongos,
virus, protozoos) que causan un desequilibrio en la naturaleza, alterando las condiciones
óptimas del medio y la vida de los organismos presentes. La contaminación biológica es muy
frecuente en zonas de gran insalubridad, principalmente en los países subdesarrollados, donde
se puede desencadenar una epidemia en un período corto de tiempo. Su control o prevención
es relativamente fácil en comparación con la contaminación física o química. Un ejemplo de de
contaminación biológica es la producida por la bacteria patógena al hombre Vibrio cholerae,
causante del cólera.
Contaminación física: es la contaminación que se produce por el efecto de factores físicos-
mecánicos relacionados principalmente con la energía como: altas temperaturas, ruido
excesivo y ondas electromagnéticas. Sus efectos pueden ser duraderos y estimular la aparición
de determinadas enfermedades y/o anomalías metabólicas en los sistemas vivientes
afectados.
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Contaminación química: es el tipo de contaminación que tiene como causa la acumulación
acelerada de materia orgánica o inorgánica. En ocasiones este tipo de contaminación es difícil
de atenuar porque las características físicas y químicas de las sustancias varían en magnitud.
Un caso típico de contaminación química es la acumulación de metales pesados en aguas y de
plaguicidas en suelos. La mayor parte de los contaminantes ambientales son sustancias
químicas, las cuales se “mueven” en la biosfera desde un reservorio a otro a través de los
ciclos biogeoquímicos.
Por su origen la contaminación puede ser:
Natural: es causada por los contaminantes formados y emitidos por procesos naturales:
erupciones volcánicas, efectos geoclimáticos, y otros.
Antropogénica: tiene su origen en los contaminantes que son productos o resultados de las
actividades humanas; por ejemplo: la basura, el smog, aguas residuales domésticas e
industriales, etc. Suele ser más intensa en áreas cercanas a grandes zonas urbanas o
industriales.
I.1.1. Política Ambiental Cubana. Papel del CITMA
La aprobación de la Agenda 21 en la Cumbre de Río, fue el primer paso para que los diferentes
países participantes iniciaran acciones a favor de la protección y conservación del medio ambiente
en aras de un desarrollo sostenible, definiéndose como desarrollo sostenible la utilización racional
de los componentes del medio ambiente de modo tal que satisfaga nuestras necesidades sin
comprometer las necesidades de las generaciones futuras.
Cuba participó activamente en esta Cumbre y en 1997 se aprobó en el país la Estrategia
Ambiental Nacional (EAN) y la Ley 81 del Medio Ambiente, documentos que rigen y regulan la
política ambiental del Estado en la conservación y protección del medio ambiente. A partir de la
EAN se identificaron los principales problemas ambientales en el país (Tabla 1).
En Cuba existen 2092 focos contaminantes, de los cuales el 29% no posee sistema
de tratamiento y el 53% de los sistemas de tratamiento existentes están
deficientes, vertiéndose 341 716 tonelada/año de materia orgánica (expresada
como DBO).
Solamente el 18% de los sistemas de tratamiento operan eficientemente (389 focos).
Los sectores de mayor incidencia en la contaminación son: Agropecuario,
Azucarero, MINBAS, MINAL y Sector doméstico.
López y col 2003
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La Ley 81 del Medio Ambiente establece los principios que rigen la política ambiental y las normas
básicas para regular la Gestión Ambiental del Estado cubano y las acciones de los ciudadanos y la
sociedad en general a fin de proteger el Medio ambiente y contribuir a alcanzar los objetivos del
desarrollo sostenible del país.
Tabla 1 Principales problemas ambientales en Cuba.
Problemas Afectación Degradación de los suelos Agricultura Deterioro de condiciones ambientales en asentamientos humanos
Calidad de vida de la población
Contaminación de las aguas terrestres y marinas
Pesca, turismo, agricultura, ecosistemas y calidad de vida
Deforestación Suelos, cuencas hidrográficas, ecosistemas costero-montañosos
Pérdida de la biodiversidad biológica Recursos naturales del país (bióticos y abióticos) y calidad de vida
Fuente: López y col 2003
La identificación de estos problemas ambientales trajo como consecuencia el desarrollo de
programas medioambientales en los que se insertan los diferentes proyectos de investigación para
solucionar o mitigar los daños ocasionados al medio ambiente. Entre los programas ambientales
pueden citarse:
• Reducción de la contaminación
• Plan Turquino-Manatí
• Mejoramiento y Conservación de los suelos
• Acción de lucha contra la Desertificación y la Sequía
• Ahorro de Energía
• Producciones más limpias
• Cuencas hidrográficas
• Bahías
El Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente (CITMA) es el Organismo de la
Administración Central del Estado (OACE) encargado de ejercer el papel rector de la política
ambiental. Para la realización de su gestión cuenta con una Dirección de Política Ambiental, la
Agencia de Medio Ambiente y 15 Unidades Territoriales encargadas de conducir la Gestión
Ambiental a ese nivel. Además cuenta con 5 Organos de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente en
las 4 regiones de montaña y la Ciénaga de Zapata. Todos los OACEs y sus dependencias forman
parte del Sistema de Gestión Ambiental cuya función común es incorporar la dimensión ambiental
en las políticas, planes, proyectos, programas y demás acciones que realicen en correspondencia
con el desarrollo económico-social sostenible. Los organismos que desarrollan sus acciones
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globales (por ejemplo Ministerio de Salud Pública, Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos,
Ministerio de Finanzas y Precios entre otros) tienen a su cargo la regulación de determinados
componentes ambientales.
I.2. Contaminación de las aguas. Fuentes contaminantes
El agua (H2O, MM 18 g/mol) es una molécula diatómica que en estado natural se presenta en los
tres estados de agregación: líquido, sólido y gaseoso. Es uno de los compuestos más abundantes
en la naturaleza y en los organismos vivos tanto animales como vegetales, siendo esencial para el
mantenimiento del metabolismo celular. En su estado puro, el agua es un líquido incoloro, inodoro
e insípido, con temperaturas de fusión y ebullición de 0oC y 100oC respectivamente a TPN.
Constituye el 70% de nuestro Planeta, y se encuentra distribuida en los océanos, ríos y lagos en
estado líquido, y en forma sólida, en los casquetes polares; sin embargo del total de agua en la
Tierra, sólo el 0.35% se puede usar para el consumo humano. Las principales fuentes de agua
utilizable se localizan en ríos, lagunas, y subsuelo. En éste último, se considera que la mayor
parte del agua actualmente está contaminada.
El Programa de Cuencas hidrográficas, tiene entre sus objetivos la reforestación,
reducción de la carga contaminante, educación ambiental y el mejoramiento de las
condiciones en los asentamientos humanos.
El río Almendares (49,8 km) es el principal de la cuenca de igual nombre (402 km2)
y recibe el impacto de las aguas albañales de más de 10 000 habitantes y
residuales líquidos y sólidos de varias industrias. Esta acumulación de materia
orgánica ha provocado el deterioro gradual en su cauce. Actualmente y como
respuesta a los problemas de contaminación del río Almendares, además del
dragado (extracción de 80 000 m3 de sedimentos) se aplican sistemas naturales de
bajo costo, los humedales, para la depuración de aguas residuales albañales de
los repartos Palatino, Pogoloti y Finlay.
Los humedales utilizados son el papiro y el macío, plantas muy comunes en Cuba.
Con este sistema se evita que el 90% de la materia orgánica llegue al río
Almendares. Una parte del agua depurada se reutiliza en la acuicultura y la
agricultura urbana y el resto se devuelve al río Mordazo, afluente del Almendares.
Fuente: López y col 2003; Tamayo 2005
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Teniendo en cuenta que la mayor cantidad de reserva de agua en el planeta es salada y que el
agua es un recurso no renovable con una distribución a nivel mundial y regional irregular, es
importante la conservación y protección de los recursos hídricos (cantidad de agua que circula por
los ríos de la zona y las reservas acumuladas superficial y subterráneamente en un año y medio).
Se define como agua contaminada aquella que tiene alterada su composición o estado como
consecuencia de la actividad humana (directa o indirecta) o por desastres naturales, de tal modo
que quede menos apta para uno o todos los usos a que va destinada, para los que sería apta en
su calidad natural (CEE de las Naciones Unidas, 1961). En esta definición es de notar que se parte
de composición natural del agua y no de agua pura y se mide la contaminación en función del uso.
El uso del agua define el criterio de calidad, los métodos de tratamiento a utilizar, el tipo de agua
residual y el método de depuración a emplear. Los usos del agua son:
Urbano o Doméstico
Agua de consumo Agropecuario
Industrial
Generación de Energía Eléctrica
Acuicultura
Otros usos Recreativo y Estético
Navegación
La contaminación del agua puede ser de naturaleza física, química o biológica y el grado de
contaminación de las aguas se establece a través de los parámetros indicadores de
contaminación, que son los que habitualmente se cuantifican, pues en la mayoría de los casos
agrupan a varios tipos de contaminantes individuales.
I.2.1 Fuentes contaminantes del agua La clasificación de los contaminantes que pueden encontrarse en un agua es muy diversa y todas
generan el mismo problema: una cantidad de contaminantes extremadamente alta. Una
clasificación, y que atiende a la naturaleza física, química o biológica de los agentes, es la
siguiente:
a) Agentes físicos: calor.
b) Compuestos químicos inorgánicos: sales, ácidos y bases, metales pesados, elementos
radiactivos, gases y especies minerales no disueltas.
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c) Compuestos químicos orgánicos: carbohidratos, aminoácidos, proteínas, aceites y grasas,
hidrocarburos, jabones y detergentes, pesticidas, policlorobifenilos (PCBs) y otros
xenobióticos
d) Nutrientes: compuestos nitrogenados y fosforados
e) Microorganismos: bacterias, virus, protozoos, hongos y algas
En la tabla 2 se presentan algunas enfermedades de origen hídrico y su agente etiológico. En
todos los casos la principal medida de control es la descontaminación de las fuentes de
abastecimiento de agua. Contra la fiebre tifoidea y la hepatitis A, también existe la vacunación
como medida de control. El cólera y la fiebre tifoidea son enfermedades que han llegado a
convertirse en grandes epidemias.
Tabla 2. Enfermedades de transmisión hídrica
Enfermedad Agente etiológico Cólera Vibrio cholerae (B) Giardiasis Giardia lambia (P) Fiebre tifoidea Salmonella typhii (B) Hepatitis A Hepatovirus (V) Gastroenteritis Escherichia coli (B) Diarrea epidémica Campilobacter spp (B) Criptosporidiosis Cryptosporidium parvum (P) Shigelosis Shigella dysenteriae (B)
B: bacteria, V: virus, P: protozoo
I.2.2 Parámetros generales indicadores de contaminación de las aguas
Los parámetros indicadores de contaminación o calidad de las aguas se clasifican atendiendo a la
naturaleza de la propiedad o especie que se determina, en base a ello se dividen en:
• Parámetros de carácter físico: características organolépticas, turbidez, sólidos,
temperatura, conductividad
• Parámetros de carácter químico: salinidad, pH, oxígeno disuelto, indicadores de materia
orgánica (Demanda Bioquímica de Oxígeno, Demanda Química de Oxígeno ), indicadores
de materia inorgánica (cationes, aniones, metales)
• Parámetros de carácter microbiológico: bacterias, virus, hongos, algas.
Algunos parámetros evalúan medidas específicas o individuales, como es el caso del oxígeno
disuelto. Otros engloban grupos de compuestos con características similares, como sucede con la
DBO o la DQO y se les llama parámetros sustitutos. Los parámetros color, olor, coliformes dan
información acerca de la presencia o ausencia de determinadas especies contaminantes. También
se pueden emplear indicadores biológicos (bioindicadores) para evaluar la calidad media que
mantiene el agua en períodos más o menos largos.
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Por ejemplo, la composición de la fauna de invertebrados acuáticos indica distintos niveles de
calidad de las aguas, las plantas nitrófilas indican exceso de abonos nitrogenados, mientras que
los líquenes se utilizan como bioindicadores de contaminación atmosférica. Sin embargo, debido a
los numerosos factores que influyen en el metabolismo de los seres vivos, los bioindicadores
sirven fundamentalmente para mantener una supervisión previa de carácter general.
El agua es un vehículo ideal para la transmisión de enfermedades infecciosas de
origen bacteriano (cólera, tifus, tuberculosis), víricas (hepatitis, conjuntivitis,
poliomelitis) y parasitarias protozoarias (gastroenteritis, amebiasis) o helmínticas
(distomatosis). La depuración de las aguas es el eslabón crucial para evitar las
enfermedades de transmisión hídrica.
Se conoce que Alejandro Magno para proteger su salud, llevaba su agua de bebida
personal en urnas de plata. La asociación entre metales nobles y la prevención de
enfermedades hídricas se estableció muy pronto por medio de observación fortuita.
El aumento de los usos del agua, especialmente como receptor de los desechos y
basuras generados por el hombre, los efectos de la materia orgánica y patógenos
en las aguas son una preocupación constante para la salud humana.
El mayor brote de enfermedad hídrica, conocida hasta la fecha, tuvo lugar en 1993
en Milwakee (Wisconsin). Las lluvias primaverales y las aguas que descendían de
las granjas circundantes hicieron rebosar el sistema de abastecimiento de agua,
conduciendo a una contaminación con Cryptosporidium parvum, protozoo
patógeno intestinal del ganado vacuno de leche, resistente a la cloración por lo que
su eliminación es por sedimentación y filtración. El brote de criptosporidiosis
produjo 40 000 casos con más de 100 fallecimientos.
Fuente: Maier, 2000
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I.3. Eutrofización
Los ríos y lagos están sujetos a muchas fuentes de contaminación que pueden hacer que el agua
no pueda ser empleada para beber, nadar o pescar. Uno de los problemas más comunes es la
acumulación de nutrientes ocasionada por el flujo creciente de fosfato y nitrato provenientes de
plantas de tratamiento de aguas negras, fertilizantes, detergentes y desperdicios animales, así
como la erosión del suelo.
Se denomina eutrofización al enriquecimiento desmesurado de las aguas con compuestos que
contienen nitrógeno y fósforo, ya sea en forma inorgánica (nitratos y fosfatos fundamentalmente)
u orgánica (aminoácidos, proteínas y compuestos organofosforados); especies necesarias para el
crecimiento y desarrollo vegetal. Considerando que eutrófico significa bien nutrido, la eutrofización
es un fenómeno natural y necesario y no debiera considerarse un fenómeno de contaminación de
ecosistemas acuáticos; sin embargo tanto el nitrógeno como el fósforo están en cantidades muy
próximas a las que precisa el crecimiento vegetal, siendo entonces nutrientes limitantes. La
Las peculiaridades hidrológicas de Cuba se asocian a su configuración, extensión
de rocas calizas y al régimen de precipitaciones. De esta forma se establece en el
territorio un parteaguas central con dos vertientes: norte y sur, donde escurren los
ríos de cortos cursos (< 40km) que conforman cientos de cuencas superficiales de
áreas <200 km2. Las mayores son Cauto (Santiago de Cuba, Holguín, Granma, Las
Tunas), Toa (Guantánamo) y Zaza (Sancti Spirítus, Villa Clara).
En el seno de las rocas carcificadas se encuentra el 90% de los recursos de agua
subterráneas. El carso es muy vulnerable a la contaminación y por tanto se
convierte en un ecosistema frágil y de mayor necesidad de protección. Los acuíferos
subterráneos más importantes se localizan en la parte occidental del país, muchos
de ellos abiertos al mar, lo que provoca la pérdida de grandes volúmenes de agua.
Entre las cuencas subterráneas más importantes destacan: Vento y Ariguanabo
(Habana y Ciudad de la Habana).
Los recursos hídricos de Cuba se estiman en unos 38 100 m3 de aguas anuales, de
los cuales solo pueden aprovecharse 23 900 m3.El uso de los recursos hídricos se
destina a: 52% riego, 30% población e industria, 18% otros insumos. En el caso del
riego el mayor porcentaje se consume en las plantaciones de arroz, caña y
hortalizas y viandas. En menor medida se consume en frutales y cítricos.
Fuente: López y col, 2003
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actividad humana ha liberado cantidades excesivas de estos nutrientes a los ecosistemas
acuáticos, trayendo como resultado un incremento desmesurado de la población vegetal y con ello
la aceleración del proceso natural de eutrofización. La descomposición vegetal excesiva induce
una reducción del oxígeno disuelto y con ello la alteración del ecosistema acuático, incluyendo la
desaparición de especies piscícolas y la aparición de olores y sabores desagradables como
consecuencia de las condiciones anaerobias que se establecen. En lagos y embalses el fósforo es
el principal responsable de la eutrofización; mientras que en aguas marinas, abiertas y dulces es
el nitrógeno.
La contaminación que se produce en las aguas interiores y marinas en el país es el
resultado del vertido de residuales sin tratamiento o con tratamiento deficiente ya
sea por inexistencia de redes de alcantarillado o por un ineficiente funcionamiento
de plantas de tratamiento y lagunas de estabilización, así como la poca
reutilización y aprovechamiento de residuales líquidos de la actividad
agroalimentaria e industrial.
La bahía de Santiago de Cuba es uno de los ecosistemas más dañados de la
provincia, siendo los usos industriales, transporte y asentamientos humanos los
que mayor incidencia negativa tienen sobre este recurso costero La bahía recibe la
descarga de contaminantes industriales, humanos y otras fuentes a través de los
ríos Gascón, Guaos, Yarayó, Yarto y Parada. Este último se fusiona con el río Cobre
Datos del Grupo de Vigilancia de la bahía refieren 30 puntos de contaminación
prioritarios a atender, en los cuales se insertan aproximadamente 68 industrias,
entre las que destacan:
Refinería Hnos Díaz
Termoeléctrica Antonio Maceo
Fábrica de Cemento José Mercerón
Cervecería Hatuey
Planta Refinadora de Aceites Comestibles ERASOL
Combinado Genético Porcino
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I. 4. Contaminación atmosférica. Fuentes de contaminación
La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra. Tiene un espesor de 2000 km
aproximadamente y está dividida en cinco regiones: troposfera, estratosfera, mesosfera,
termosfera o ionosfera y exosfera. Cada una con densidad, temperatura, actividad química y
radiación solar incidente diferentes.
La atmósfera terrestre (Figura 2) está compuesta por gases (aire) y aerosoles. Su composición
química depende de los procesos biogeoquímicos en los que se encuentran involucrados los
diferentes elementos. En relación con la contaminación atmosférica, son particularmente
importantes los ciclos del Carbono (Figura 3), Nitrógeno (Figura 4) y Azufre (Figura 5).
ATMOSFERA
AIRE
AEROSOLES
Gases Permanentes (O2, N2, Xe, Ar, Kr, He, Ne)
Gases variables (CO2, H2, N2O, O3, CH4)
Gases muy variables (H2O, CO, NO2, H2S, NH3, SO2)
Composición muy variable
Figura 2. Composición de la atmósfera terrestre.
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M.O. (0,-2)
CO2 (+4) CO2
(+4)
H2
CH4 (-4)
CO (+2)
AEROBIO ANAEROBIO
FIJACION DEL CARBONO
METANOGENESIS
METANOGENESIS
RESPIRACION ANAEROBIA Y FERMENTACION
FIJACION DEL CARBONO
RESPIRACION
OXIDACION DEL METANO
Figura 3. Ciclo del Carbono. Las flechas grises indican los procesos anaerobios y las
negras los procesos aerobios. Entre paréntesis los grados de oxidación del carbono.
MO: materia orgánica.
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NO3-
5+
NO2-
3+
NH4+
3-
R-NH2
3-
N2
0 N2O 1+
Desnitrificación Pseudomonas nitrificans
Nitrificación Nitrobacter, Nitrococcus
Nitrificación Nitrosomonas, Nitrosococcus
Reducción asimilatoria de NO3
- (muchos géneros)
Desasimilación y Mineralización (muchos géneros)
Fijación del N2
Azotobacter Clostridium Bacterias fotosintéticas
Anammox
Desulfovibrio, Clostridium
Figura 4. Ciclo del Nitrógeno. Las flechas grises indican los procesos anaerobios y las
negras los procesos aerobios, así como la oxidación anóxica del amonio (anammox).
Con líneas de puntos se señalan los procesos aerobios y anaerobios
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SO42-
(6+)
SO32-
(4+)
S (0) H2S
(2-)
R-SH (2-)
OXIDACION
OXIDACION
REDUCCION
Reducción desasimilatoria del SO3
2- Desulfotomaculum, Desulfovibrio, Clostridium, Alteromonas
Reducción asimilatoria del SO4
2-
Reducción desasimilatoria del SO4
2- Desulfovibrio
MINERALIZACION
OXIDACION
Figura 5. Ciclo del azufre. Las flechas grises señalan las reducciones anaerobias y las negras
los procesos aerobios y anaerobios. La oxidación del azufre por vía anaerobia es
responsabilidad de las bacterias Chromatium y Chlorobium; mientras que la oxidación
aerobia es responsabilidad de Thiobaillus, Thiotrix y Beggiatoa.
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La contaminación atmosférica es la impurificación de la atmósfera por la inyección y permanencia
temporal en ella de materia gaseosa, líquida, sólida o radiaciones ajenas a la composición natural
del aire (Figura 2) o en proporción superior a esta. En la Tabla 3 se resumen las principales
fuentes de contaminación atmosférica.
Tabla 3. Fuentes de contaminación atmosférica
Naturales
Erupciones volcánicas, meteoritos, fuegos
Compuestos orgánicos: metano
Compuestos inorgánicos: SO2, H2S
Partículas: rocas, metales, bacterias
Antropogénicas
Generación de electricidad
Combustión (industrial, comercial, institucional, residencial)
Procesos industriales sin combustión (producción de aceites comestibles,
procesos de producción de cárnicos y otros)
Transporte
Uso de disolventes
Eliminación de residuos
Extracción y distribución de combustibles fósiles
Cuando se habla de concentración de contaminantes atmosféricos (v/v o m/v) es necesario
distinguir entre los valores de emisión (concentración de contaminantes que vierte un foco y que
se mide a la salida del foco emisor) y los valores de inmisión (concentración de contaminantes en
el seno de una atmósfera determinada y por tanto son los valores a los que están expuestos los
seres vivos y materiales cuya actividad se desarrolla en esa atmósfera). Los valores de inmisión
dependen de los valores de emisión, fenómenos de mezcla, transporte, deposición y
transformaciones químicas que experimentan los contaminantes.
I.4.1. Tipos de contaminación atmosférica
La contaminación atmosférica puede ser:
Microbiológica: Es producida por la presencia en la atmósfera de microorganismos (virus y
bacterias fundamentalmente). Como el aire no soporta la propagación de los virus, cualquier virus
propagado en este medio se ha tenido que originar en una fuente, por ejemplo otro ser humano;
el cual expulsa el virus al toser, hablar o estornudar.
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Muchas enfermedades transmitidas por el aire afectan directamente el aparato respiratorio. Entre
las enfermedades se destacan:
Por bacterias
Difteria Corynebacterium diphtheriae
Legionelosis Legionella pneumophila
Meningitis bacteriana Streptococcus pneumoniae, Neisseria meningitides, Haemophilus
influenzae, Estreptococos grupo B, Listeria monocytogenes,
Mycobacterium tuberculosis, Nocardia asteroides, Staphylococcus
aureus y Staphylococcus epidermidis.
Neumonía Mycobacterium avium y Mycobacterium intracellulare
Tos ferina (pertusis) Bordetella pertussis
Tuberculosis Mycobacterium tuberculosis
Por viruses
Varicela Herpesviridae
Influenza Ortomixovirus
Sarampión Morbillivirus
Parotiditis (paperas) Rubolavirus
Rubéola Togaviridae
Viruela Poxviridae
Física: Se plantea que en realidad es contaminación energética ya que es producida por ondas
electromagnéticas y/o mecánicas o por emisiones radiactivas. Pueden citarse:
a) contaminación acústica, provocada por ruidos y vibraciones.
b) contaminación por radiación electromagnética, producida por la exposición de seres vivos a
campos electromagnéticos adicionales.
c) contaminación radiactiva, provocada por la radiactividad de radionucleidos en la atmósfera
ya sea por accidentes o uso indebido de material radiactivo.
Química: Debida a la presencia de compuestos químicos; los cuales se clasifican en contaminantes
primarios (se emiten directamente a la atmósfera) y secundarios (se forman por interacciones
entre los contaminantes primarios, componentes atmosféricos, y radiaciones incidentes en la
atmósfera). Entre los contaminantes primarios, que son los mayoritarios y constituyen el 90% o
más del problema, se encuentran CO, CO2, NO, NO2, N2O, NH3, halógenos, H2S, SO2, Compuestos
Orgánicos Volátiles (COV), CH4, Compuestos Orgánicos Volátiles no metánicos (COVNM) metales,
y partículas. El CO2, CH4 y N2O contribuyen al incremento de la absorción de la radiación infrarroja
(IR) y por tanto al aumento de la temperatura media del planeta. Este sobrecalentamiento se
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conoce como efecto invernadero. El SO2, dada su alta solubilidad en agua se transforma en H2SO4,
principal componente de la lluvia ácida (precipitación en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío con
pH inferior a 4), causante de serios daños a ecosistemas y materiales metálicos y pétreos. Los
contaminantes secundarios más importantes son el O3, SO42-, NO3
- y oxidantes fotoquímicos.
En dependencia de los niveles de contaminación atmosférica, puede hablarse de contaminación
global (efecto invernadero, agotamiento de la capa de ozono y modificación de la composición
química de la capa de ozono), local (smog o niebla gris, emisiones accidentales de sustancias
tóxicas o radiactivas que originan episodios agudos de contaminación del aire) y regional (lluvia
ácida, aumento de la concentración de ozono superficial y deposición atmosférica de tóxicos). La
niebla gris o smog es sinónimo de degradación del aire y se usa para designar la contaminación
atmosférica que se produce en algunas ciudades como resultado de la combinación de
determinadas circunstancias climatológicas y contaminantes atmosféricos. Puede ser industrial o
fotoquímico.
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El 26 de Octubre de 1954 la ciudad de Los Angeles, California, sufrió uno de los
episodios de smog más importantes. La atmósfera se hizo irrespirable debido a las
emisiones atmosféricas de industrias y el tráfico (2/3 de la emisión) unidas a las
condiciones atmoféricas imperantes: inversión térmica, que impedía difusión
vertical de contaminantes y viento soplando desde el mar, impidiendo su
dispersión horizontal al no poder atravesar las montañas situadas a la espalda de
la ciudad. Miles de personas fallecieron a causa de enfermedades respiratorias y
ese día pasó a la historia como “miércoles negro”.
Fuente: Orozco, 2004
El efecto de la lluvia ácida no se produce directamente sobre los seres vivos sino a
través de su medio físico. Las lluvias ácidas aumentan la acidez del suelo y de las
aguas interiores (ríos, embalses y lagos) hasta hacerlos inhabitables para las
especies del medio. En la vegetación produce graves daños en zonas forestales y
elimina los microorganismos fijadores de nitrógeno.
Los lagos del medio oeste de Estados Unidos no tienen problemas de acidez debido
a que las rocas superficiales en esta zona son de caliza (CaCO3), originándose
hidrogenocarbonato que neutraliza los ácidos y mantiene constante el pH. Por el
contrario en la zona este del país predomina el granito, que es menos reactivo y por
tanto el agua de los lagos es más susceptible de ser ácida.
Fuente: Skoog, 2005.
El efecto invernadero se produce por determinados gases presentes en la atmósfera
capaces de absorber radiaciones y transformarlas en calor. Es un fenómeno
natural y necesario que ha permitido la existencia de la vida en la Tierra. El
problema surge cuando las concentraciones de estos gases se incrementan como
consecuencia de la actividad humana, fundamentalmente CO2.
Los gases naturales del efecto invernadero son: Vapor de agua, CO2, CH4, NOx, O3 y
los artificiales: los clorofluorcarbonos (CFC)
Fuente: Maier, 2000
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I.5. Contaminación del suelo. Fuentes contaminantes
El suelo es la parte superficial de la litosfera y está constituido por una mezcla variable de
partículas minerales, materia orgánica, aire y agua. Se forma a través de un conjunto de procesos
físicos, químicos y biológicos sobre el medio rocoso original (meteorización), siendo el soporte
material para el desarrollo de los organismos vivos. La cantidad de los constituyentes del suelo
varía con la localidad.
Debido a la infiltración de agua edáfica, que produce una cierta meteorización química, así como a
la actividad orgánica en el suelo, se desarrolla una estructura secuencial en capas u horizontes
edafológicos según la profundidad. Los horizontes (mantillo u horizonte A, capa intermedia u
horizonte B y roca madre u horizonte C) tienen diferentes propiedades físicas y químicas, así
como color y textura dependiendo del proceso de formación del suelo. El conjunto de horizontes,
denominado perfil, da idea de la estructura global del suelo.
De todos los componentes del medio, el suelo es el que ha sufrido mayor deterioro en menor
tiempo si se compara con los factores agua y atmósfera, los cuales han tenido mayor atención
tanto desde el punto de vista legislativo como técnico. Se define contaminación del suelo como la
porción del terreno, superficial o subterránea, cuya calidad ha sido alterada como consecuencia
del vertido directo o indirecto, de residuos o productos peligrosos. La contaminación de los suelos
puede ser ocasionada por la actividad industrial, agrícola o de servicios; sin embargo la actividad
industrial es la principal fuente de contaminación (tabla 4).
Tabla 4. Principales contaminantes en el suelo
Contaminantes Industria
Hidrocarburos y derivados del petróleo Estaciones de servicio
Alquitrán, benceno, fenoles, HAPs,
cianuros Fabricación de gas
Hidrocarburos y metales pesados Textil
Compuestos químicos diversos Química
Disolventes clorados Maquinarias
Hidrocarburos aromáticos, cianuros,
metales pesados Metalurgia
Disolventes y metales pesados Ligera
21
I.5.1. Tipos de contaminación de los suelos
La contaminación del suelo puede ser:
Endógena: cuando se producen desequilibrios en los constituyentes del suelo, provocando
variaciones de algunas especies a concentraciones nocivas para los seres vivos. Cuando existe
contaminación endógena ocurre:
a. movilización de metales debido a procesos de acidificación
b. salinización del suelo por aumento del % de Na+
c. disminución del Mn2+ por oxidación ante especies metálicas reductoras
Exógena: cuando es provocada por diferentes tipos de vertidos o productos agrícolas (pesticidas,
fertilizantes) en exceso con componentes ajenos a la composición inicial del suelo.
En la Figura 6 se presentan los principales contaminantes del suelo
La presencia de contaminantes en el suelo produce:
contaminación de las aguas subterráneas a través de lixiviados (agua de lavado que se
infiltra en el suelo)
contaminación de las aguas superficiales a través de escorrentías (agua que se desplaza
sobre la superficie debido a la fuerza de gravedad)
contaminación del aire por combustión, evaporación, sublimación o arrastre por viento
envenenamiento por contacto directo o a través de la cadena alimentaria
fuego y explosión
22
I.6. Métodos analíticos en el control de contaminantes
La detección de contaminantes en agua, suelo o aire e incluso en elementos bióticos (animales y
plantas) se realiza a través del análisis ambiental, el cual tiene como objetivos: 1 control de fondo
y 2 control de la contaminación. El control de fondo estudia los procesos medioambientales y
establece los valores límites permisibles (patrones) para evaluar cualquier efecto de la
contaminación.
A través del control de fondo se establecen las llamadas “líneas base” (estado normal del
ecosistema sin perturbación ambiental), las normativas y legislaciones para el vertido de residuos
al medio ambiente. La línea base depende del ecosistema en cuestión y puede variar con el
tiempo, ya sea por causas naturales o antropogénicas; mientras que las normas son específicas
COMPUESTOS ORGANICOS HIDROCARBUROS, HPAs
METALES Mn, Ni, Zn, V, Cu, Mo, Cr, Cd, Pb, Hg
SUELO
Actividad minera Vertidos industriales Tráfico
PESTICIDAS DDT, BORAX, ALDRIN, PARATION
BIOACUMULACION
SALES
EUTROFIZACION
LLUVIA ACIDA
ACIDIFICACION
Actividad petrolífera
FERTILIZANTES NO3
-, PO43-
SALINIZACION
Figura 6. Principales contaminantes del suelo y el efecto que producen. La bioacumulación
se debe a la resistencia de los hidrocarburos, hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPAs) y
pesticidas a la degradación biológica. En el caso de los metales es resistencia a la
transformación o cambio de estado de oxidación.
23
de cada país o región. En Cuba las regulaciones de vertido a los diferentes cuerpos receptores
quedan establecidas en las Normas Cubanas de la Oficina Nacional de Normalización.
El control de la contaminación permite identificar potenciales amenazas para la salud humana y
ecosistemas naturales, evaluar la eficiencia de las medidas de control de la contaminación,
determinar cumplimiento con patrones nacionales e internacionales y otros.
El análisis ambiental frecuentemente es utilizado en los Estudios de Impacto Ambiental (EsIA) y
en él participa tanto el químico analista ambiental como el ingeniero ambiental. El químico
analista ambiental establece los niveles permisibles de los diferentes contaminantes en un
ecosistema dado y las medidas tecnológicas para disminuir la emisión de contaminantes al medio.
El ingeniero ambiental por su parte, selecciona y diseña la tecnología más apropiada para el
control de la contaminación. Es importante destacar que en los estudios de contaminación
ambiental y la búsqueda de soluciones a tales problemas participan grupos multidisciplinarios de
especialistas (químicos, biólogos, ingenieros, sociólogos, juristas, economistas entre otros).
I.6.1. Muestras ambientales
Las muestras ambientales son muy complejas tanto por su composición como por la concentración
de muchos contaminantes en niveles trazas. La presencia de trazas de contaminantes requiere de
técnicas de alta sensibilidad para la detección. Por otra parte la misma complejidad de las
matrices ambientales exige en ocasiones laboriosas técnicas de preparación de las muestras. Las
muestras han de ser representativas del lugar de origen y el tipo de muestreo depende del tipo de
matriz (líquida, sólida o gaseosa). En la Tabla 5 se recogen los diferentes tipos de muestreos para
las tres matrices.
NC 25:1999 Evaluación de los objetos hídricos de usos pesquero. Especificaciones.
NC 372:2004. Vertimiento de aguas residuales a la zona costera y aguas marinas.
Especificaciones.
NC 2\135:2002 RSU. Disposición final. Requisitos higiénico sanitarios y
ambientales.
NC 39:1999. Calidad del aire. Requisitos higiénico sanitarios.
NC 27:1999 Vertimiento de aguas residuales a las aguas terrestres y al
alcantarillado. Especificaciones.
NC 34:1999. Calidad del suelo. Determinación de humedad. Método gravimétrico.
24
Tabla 5. Tipo de muestreo a aplicar en dependencia de la matriz
Matriz Tipo de muestreo
Simple: la muestra se toma en un lugar y
tiempo determinado
Compuesto (compósito): la muestra simple se
toma en un mismo punto y a diferentes
tiempos. Se procede entonces al mezclado y
homogenización de las muestras simples.
Líquida
Integrado: la muestra simple se toma en
diferentes puntos a mismo tiempo. Se procede
a la mezcla de las muestras simples.
Continuo: la muestra se toma de forma
continua en un año, ya sea en tiempo real o
períodos predefinidos.
Periódico: las muestras se toman según un
plan predeterminado, ya sea de forma
estacional o frecuente
Gaseosa
Puntual: las muestras se toman en
determinados días y horas
Aleatorio: las muestras se toman previa fijación
de ejes coordenados al azar en el área a
estudiar.
Estratificado al azar: las muestras se toman al
dividir en cuadrados la superficie a estudiar y
en cada cuadrado se realiza un muestreo al
azar.
Sólida
Sistemático: las muestras se toman en áreas
homogéneas; en las que el primer punto se
selecciona al azar y las posteriores cada cierto
número de pasos o metros.
25
I.6.2. Métodos de análisis
La mayoría de los métodos analíticos para la detección de contaminantes ambientales son
métodos normalizados desarrollados por organizaciones especializdas, entre las que destacan:
USEPA (United Stated Environmental Policy Agency) con los métodos EPA (Environmental Policy
Agency), AWWA (American Water Works Association) con los métodos Standard (Standard
Methods) y Comités Técnicos: internacionales (Normas ISO), europeos (Normas Europeas),
cubanos (Normas Cubanas).
El análisis de contaminantes en suelo se basa en la extracción del compuesto del suelo. Los
métodos de extracción dependen de la naturaleza del contaminante.
• Para contaminantes orgánicos: extracción con Soxhlet, ultrasonido (US), microondas
• Para contaminantes inorgánicos: digestión en sistemas abiertos en medio fuertemente
ácido, digestión por microondas y disgregación alcalina con Na2O2, LiBO2 a altas
temperaturas (600-1000ºC).
Existen otros tipos de métodos instrumentales que, aunque su aplicación en el análisis
medioambiental no es común, se utilizan en casos muy específicos:
Electroforesis capilar en la determinación de micro contaminantes orgánicos e inorgánicos
cargados eléctricamente
Electroforesis capilar micelar en el análisis de contaminantes orgánicos no cargados
Inmunoanálisis (ELISA) en la detección y cuantificación de pesticidas e hidrocarburos
policíclicos aromáticos
En la Tabla 6 se resumen las técnicas más comunes en el análisis de contaminantes acuosos,
atmosféricos y del suelo. No se incluyen los métodos de purificación (clean up).
Otro aspecto a considerar en el análisis ambiental es la determinación de la toxicidad de un
contaminante; la cual se evalúa a través de la dosis letal al 50% (DL50). La DL50 se define como la
cantidad de contaminante que produce la muerte en el 50% de los miembros de la población
experimental. Se expresa en mg de compuesto /kg de animal. En base a este parámetro los
contaminantes pueden ser:
• extremadamente tóxicos: (DL50 < 10 ppm)
• altamente tóxicos: (10 < DL50 < 100 ppm)
• moderadamente tóxicos: (100 < DL50 < 1 000 ppm)
• poco tóxicos: (1000 < DL50 < 10 000 ppm)
• muy poco tóxicos: (10 000 < DL50 < 100 000 ppm)
• inocuo: (DL50 > 1 000 000 ppm)
26
Tabla 6. Métodos más comunes en el análisis de contaminantes
Contaminantes acuosos
Ácido/base (CO32-, HCO3
-)
Precipitación (Cl-)
Potenciométrica (Cl-) Volumetrías
Complexometría (Ca2+, Mg2+)
Gravimetría SO42-, aceites y grasas
Turbidimetría SO42-
Espectrofotometría de Absorción Molecular
(colorimetría) PO4
3-, NO3-, NO2
-, X-, Cd, Pb, DQO
Electrodos selectivos X-,CN-
HPLC Iones inorgánicos, HPAs, fenoles, herbicidas,
tensoactivos no iónicos
Espectroscopía de Absorción /Emisión Atómica
AES/AAS, AES/ICP
Na, Li, K, Cs (emisión)
Resto de los elementos (absorción)
Espectroscopia IR Aceites y grasas, carbono orgánico total (COT)
Cromatografía gaseosa
GC/FID, GC/MS
COV, hidrocarburos, HPAs, PBCs, pesticidas,
fenoles, nitroaromáticos, dioxinas
Contaminantes atmosféricos
Gravimetría Partículas
Potenciometría Gases y partículas
Espectrofotometría UV/visible Gases y partículas
Espectroscopia de Absorción Atómica Partículas
Cromatografía gases/masas Gases y partículas
Contaminantes del suelo
Los mismos ya citados para contaminantes acuosos.
CAPITULO III. TRATAMIENTO BIOLOGICO DE AGUAS RESIDUALES
Tratamiento aerobio. Lodos o Fangos activados. Lagunaje. Filtros verdes. Sistema de humedales.
Lechos de turba. Filtros de arena. Biofiltros. Tratamiento anaerobio. Reactores anaerobios.
Microbiología de la digestión anaerobia. Ventajas del tratamiento anaerobio. Reutilización de las
aguas residuales depuradas.
27
El tratamiento biológico de las aguas residuales puede realizarse en condiciones aerobias y
anaerobias. El tratamiento aerobio tiene lugar en presencia de oxígeno disuelto, manteniéndose
las aguas residuales saturadas de oxígeno durante todo el proceso. El tratamiento de depuración
anaerobio se fundamenta en la degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno
molecular, por microorganismos específicos.
La depuración aerobia de aguas residuales urbanas, agropecuarias e industriales se realiza
utilizando sistemas naturales (Figura 17) o convencionales (Figura 18).
III. 1. Lodos o fangos activados
Es el sistema de depuración de aguas residuales comúnmente utilizado en las EDAR (Figura 19).
El método se remonta a 1914 en Inglaterra y se fundamenta en mantener la biomasa microbiana
o fangos activados en suspensión en el seno del agua, la cual se oxigena continuamente para
asegurar la biodegradación. Se alcanzan valores de remoción de materia de orgánica entre 85-
90%. La principal desventaja de este sistema es el costo energético de la oxigenación.
El agua residual a tratar se pone en contacto con los fangos activados en un tanque o cisterna de
aireación (reactor biológico) durante 8h aproximadamente (Figura 20). El efluente pasa luego
hacia un tanque de sedimentación secundaria (Figura 19), donde se recoge el lodo activo. Parte
de este lodo se recircula nuevamente hacia el reactor biológico (Figura 19) para garantizar la
actividad microbiana y el exceso, llamado fangos secundarios, se une a los fangos primarios
(procedentes del tanque de sedimentación primaria) para su tratamiento y gestión.
La aireación del reactor biológico se realiza en la superficie, mediante turbinas, o en el fondo del
reactor mediante difusores de aire. Bioquímica y tecnológicamente, el tanque de fangos activados
es un reactor continuo de barrera completa con retroalimentación parcial (feedback).
Microbiológicamente, los fangos activados son un cultivo mixto de microorganismos (Tabla 9); en
el que predominan las bacterias (50-80%), es un sistema abierto, ya que hay entrada y salida de
estos; y de gran variabilidad (no se mantiene constante el mismo grupo microbiano).
Durante el proceso de depuración de las aguas residuales por el sistema de lodos activados deben
controlarse la temperatura, concentración de oxígeno, el pH (6,5-7,5) concentración de
nutrientes, materia orgánica de entrada y salida del reactor (indica eficiencia del proceso), edad
de los fangos (2-12 días) y el índice volumétrico de fangos (IVF). El IVF expresa la capacidad de
decantación de los mismos y representa el volumen que ocupa 1g de fangos.
)()(
gtotalessólidosdeiónconcentracmLdecantablefangosdevolumenIVF =
28
Para alcanzar una buena floculación y por tanto un buen funcionamiento del reactor biológico el
IVF debe ser muy bajo , es decir poco volumen con alta concentración de sólidos. El IVF óptimo es
< 70 mL/g.
Figura 17. Sistemas naturales de tratamiento aerobio para la depuración biológica de aguas residuales
Figura 18. Sistemas convencionales de tratamiento aerobio para la depuración biológica de aguas residuales
Sistemas convencionales
Biomasa en suspensión
Fangos (lodos) activados
Biomasa adherida Lechos bacterianos (biofiltros)
Contactadores biológicos rotativos
Biomasa en suspensión
Sistemas naturales
Lagunaje
Biomasa adherida
Filtros verdes
Filtros de arena
Lechos de turba
Sistemas mixtos Sistemas de humedales
Acuicultura
29
Figura 20. Esquema de un reactor biológico con aireación superficial.
8 Agua residual
21
3
4 5 6 7Efluente
11
10
9
12
13
Evacuación
Recirculación de lodos Lodos
primarios
Lodos secundarios
Aguas de concentración y deshidratación
Lodos concentrados Biogás
Línea de agua
Línea de fangos
Biogás
Figura 19. Esquematización de una estación depuradora de aguas residuales (EDAR) con
sistema de lodos activados. 1. Desbaste, 2. Desarenado/desengrasado, 3. Tratamiento físico-
químico (opcional), 4. Decantación primaria, 5. Reactor biológico, 6. Decantación secundaria,
7. Tratamiento terciario, 8. Cuerpo receptor, 9. Espesador de fangos, 10. Flotador de fangos,
11. Reactor anaerobio, 12. Secador de fangos, 13. Silo de lodos
Purga de fangos
Biomasa
Lodos
Decantador
secundario
Turbinas
Agua residual
Efluente
30
Durante el funcionamiento del reactor de lodos pueden presentarse algunos incovenientes como
son:
1. Fango voluminoso (bulking), por la proliferación de algas que disminuyen el oxígeno
disuelto y conducen a la formación de flóculos de baja densidad y decantabilidad. Se
corresponde con altos valores de IVF.
2. Fango ascendente: el fango sedimentado flota, por la desnitrificación del NO2- y NO3
- en el
reactor y formación de N2, que arrastra el fango hacia la superficie.
3. Formación de espuma y olores desagradables: se debe a la proliferación de actinomicetos
de la familia Nocardia, por un exceso de aireación y detergentes en las aguas residuales.
4. Flóculos “punta de alfiler”: son flóculos que sedimentan con dificultad debido a influentes
de baja carga orgánica y lodo envejecido (mayor de 6 días).
5. Defloculación: fragmentación de los flóculos del fango en el sedimentador secundario
(Figura 20), originándose un agua turbia debido a bajas concentraciones de oxígeno
disuelto, valores de pH, y presencia de inhibidores.
III. 1.1. Tratamiento del exceso de fangos
El sistema de lodos activados genera un exceso de fangos secundarios (biomasa microbiana
activa), que junto con los fangos primarios procedentes del sedimentador (Figura 19) deben ser
tratados ya que contienen mucha agua, no son inertes, generan olores desagradables y pueden
portar bacterias fecales y cistos viables de protozoos de vida libre como la Acanthamoeba que
produce encefalitis amébica granulomatosa, queratitis y úlcera de córnea.
Los fangos pueden tratarse con cal, incinerarse, añadirse a pilas de compostaje o por digestión
anaerobia. Esta última vía de tratamiento es la más efectiva y utilizada, puesto que en las
estaciones depuradoras se diseña la “línea de fangos” (Figura 19) para su tratamiento integral.
Las etapas del proceso (Figura 19) son: espesamiento o concentración (9 y 10), estabilización
(11), deshidratación o secado (12) y evacuación (13).
La Tabla 10 muestra las principales características de los lodos antes y después del tratamiento
anaerobio. Nótese como el proceso biológico no modifica los metales pesados, los cuales han de
eliminarse por métodos químicos; mientras que disminuye considerablemente la materia orgánica
(% de Sólidos Suspendidos Volátiles) y los microorganismos patógenos.
31
Tabla 10. Características de los lodos primarios y secundarios digeridos
Características Lodos primarios Lodos
secundarios Lodos digeridos
Humedad (%) 92-96 97,5-98 94-97
pH 5,5-6,5 6,5-7,5 6,8-7,6
SSV (%) 70-80 80-90 55-65
Carbohidratos (%) 8-10 6-8 5-8
Proteínas (%) 4-14 20-30 10-20
Nitrógeno (%) 2-5 1-6 3-7
Fósforo (%) 0,5-1,5 1,5-2,5 0,5-1,5
Bacterias patógenas
(NMP/100 mL) 103-105 102-103 101-102
Parásitos
(NMP/100 mL) 8-12 1-3 1-3
Metales pesados
Zn, Pb, Cu (%) 0,2-2 0,2-2 0,2-2
Fuente: Muñoz, A. Depuración de aguas residuales. (Paraninfo, 1992)
III.1.2. Eliminación de nitrógeno y fósforo en aguas residuales por el sistema de fangos
activados
Durante la degradación y mineralización de la materia orgánica se produce también la nitrificación
del nitrógeno orgánico, previa amonificación, por las bacterias nitrificantes Nitrosomonas
(oxidación de amoníaco a nitrito) y Nitrobacter (oxidación de nitrito a nitrato):
NH4+ + 3½ O2 → NO2
- + 2H+ + H2O (∆G´0 = -277.2 kJ/mol)
NO2- + 1½ O2 → NO3
- (∆G´0 = -71.4 kJ/mol)
La eliminación del nitrógeno total en aguas residuales se produce en bajos porcentajes; quedando
este en forma de nitrato, especie química que favorece la eutrofización de las aguas. Por otra
parte la mineralización del fósforo conduce a la formación de fosfato, nutriente que también
favorece la eutrofización. Para eliminar tanto el fósforo como el nitrógeno de las aguas residuales
se introducen modificaciones en el sistema de fangos activados (Figura 21).
En el reactor anaerobio se producen fangos desfosfatados y agua con fosfato y amonio. En el
reactor anóxico (ausencia de oxígeno, pero están presentes especies oxidantes disueltas como el
32
NO3-) se produce la desnitrificación por bacterias reductoras y asimilación adicional del PO4
3-;
produciéndose fangos fosfatados y agua desnitrificada. En el reactor aerobio ocurre la nitrificación
(NH4+ ± NO3
-) y asimilación de fósforo (en forma de polifosfatos) por las bacterias de los géneros
Acinetobacter y Pseudomonas, originándose unos fangos fosfatados y agua defosfatada y
nitrificada. En el sedimentador se mantienen las condiciones aerobias para evitar la
desnitrificación y liberación del fósforo. Se producen fangos fosfatados y agua defosfatada y
desnitrificada.
Figura 21. Sistema de eliminación de nitrógeno y fósforo dn aguas residuales en un sistema de
lodos activados.
III.2. Lechos o filtros bacterianos
Este método se comenzó a utilizar en Inglaterra en 1893. Se fundamenta en la degradación de la
materia orgánica cuando circula agua y aire a través de un medio filtrante o poroso. La biomasa
permanece adherida sobre un soporte sólido fijo en forma de biopelícula o biofilm (Figura 22). El
agua residual pasa a través del lecho en forma de lluvia. La película microbiana se forma por la
capacidad de adherencia de muchas bacterias que tienen cápsulas y producen exopolisacáridos.
La biopelícula es un cultivo mixto muy complejo, donde los microorganismos que lo forman
crecen, maduran y mueren. La muerte de los microorganismos produce desprendimientos de
trozos de la película microbiana, que se renueva. En la capa más externa y próxima a la superficie
predomina la depuración aerobia; mientras que en las profundidades de la misma predomina la
Agua residual
Afluente
Agua desfosfatada y desnitrificada
(Efluente)
Tratamiento de fangos
Recirculación de fangos
Reactor anaerobio Reactor anóxico
Reactor aerobio
33
degradación anaerobia. El efluente que sale del lecho bacteriano debe someterse a una
decantación secundaria (figura 22), similar a lo que sucede en el sistema de lodos activados
(figura 19).
Dependiendo de las condiciones ambientales, los biofilms o biopelículas pueden ser de
dimensiones macroscópicas y directamente visibles. Estos biofilms gruesos (tapetes microbianos),
se observan mucho en medios de agua dulce y marinos. Los biofilms también son importantes en
el desarrollo de enfermedades ya que pueden proteger a los patógenos de los desinfectantes
creando un foco para la diseminación posterior de la infección o para la liberación de
microorganismos y productos microbianos que puedan afectar al sistema inmunitario de un
huésped susceptible. Su establecimiento sobre superficies médicas es un desafío para los servicios
hospitalarios modernos.
La ventaja de la depuración de aguas residuales mediante lechos bacterianos respecto al sistema
de lodos es su menor costo energético en la oxigenación, ya que se realiza de forma natural;
menor sensibilidad a los cambios bruscos de carga orgánica de las aguas residuales y un
ordenamiento de las reacciones biológicas a lo largo del lecho. La desventaja está en el
atascamiento de los filtros en aguas con alta carga orgánica, rellenos poco porosos y complejidad
del proceso.
Diversidad de superficies que pueden ser colonizadas por biofilms
Inertes Piedras en un arroyo
Unidad de filtración por goteo
Recipiente para alimentos
Catéteres
Lentes de contacto
Jeringuillas usadas
Organismos vivos Piel
Encías y dientes
Tejido del tracto urinario
Lengua
34
Figura 22. Filtro bacteriano con sistema de recirculación de fangos. Se indica el sentido de
circulación del agua y la esquematización de la película microbiana adherida al soporte. En la capa
1. Eubacterias (Pseudomonas, Zooglea, Flavobacterium, Alcaligenes), 2. Algas (Chlorella, Ulothrix,
Euglena) 3. Hongos (Fusarium, Geotrichum).
Recirculación de fangos
Exceso de fangos
Decantación secundaria
Soporte
Relleno
Agua residual
Efluente
Soporte
Biomasa
213
Agua residual
H2S
O2 CO2
Materia orgánica
NH4+
NO3-
CH4
35
III.3. Contactadores Biológicos Rotativos (CBR)
Su principio de funcionamiento es el mismo que el de los lechos bacterianos, pero con la
diferencia de que el soporte en el CBR está fijo a un eje que gira lentamente para conseguir la
aireación (Figura 23). Se alcanzan porcentajes de remoción de la materia orgánica tan eficientes
como en el sistema de lodos activados. Una ventaja adicional es la necesidad mínima de terreno,
baja producción final de sólidos y reducido consumo de energía. La desventaja es que se aplica
para pequeños volúmenes de aguas residuales y además la sensibilidad del eje giratorio al
aumentar el peso de la biopelícula. El CBR sustituye al reactor biológico en el sistema de fangos
activados (Figura 19), por tanto la depuración completa implica la realización de pretratamientos,
tratamiento primario, decantación secundaria y tratamiento terciario. El CBR se sumerge en el
agua residual un 40-90%.
La experiencia de Cuba en el uso de este sistema es en la EDAR Quibú de Ciudad Habana. Esta
estación depuradora recibe un caudal medio de xxxx procedente de una población de xxxx
habitantes. Las aguas arrastran una carga orgánica (DBO5) de xxx y está en explotación desde
xxxx. El pretratamiento se realiza por xxxx, el tratamiento primario xxxx, el tratamiento
biológico por xxxxx y el tratamiento terciario por xxxx. El exceso de lodos se xxxx.
III.4. Lagunaje o Lagunas de estabilización
El tratamiento se basa en el almacenamiento del agua residual durante un tiempo variable, en
unos estanques diseñados para que se produzca la degradación biológica de la materia orgánica
por los propios microorganismos que se desarrollan en el agua. Se clasifican, según el grado de
aireación en aerobias o de maduración, anaerobias y facultativas (Figura 24). El lagunaje puede
considerarse como un sistema mixto de tratamiento ya que en dependencia de la profundidad
O2
Eje giratorio
Agua a decantación secundaria
Agua residual
Agua de tratamiento
primario
Figura 23. Contactador biológico rotatorio (CBR). (Orozco y col 2004)
36
tienen lugar procesos aerobios y anaerobios. En la Tabla 11 se presentan las principales
características de los diferentes tipos de lagunas.
Tabla 11. Principales características de las lagunas de estabilización
Características
Tipo Profundidad T. retención C. Orgánica
% remoción
DBO
Aerobias Baja, < 1m Hasta 10 días Baja 90-95
Facultativas Media, 1-2m 10-50 días Media-alta 80-95
Anaerobias Alta, 2-4m 20-50 días Alta 50-85
Agua Residual
Zona Anaerobia
Bacterias anaerobias
Bacterias aerobias
Bacterias facultativas
Algas
Lodos
Nutrientes
CO2 O2 Gases
CO2, N2, CH4, H2S…
CO2, H2O, NO3-, PO4
3-…
M.O
Efluente
Zona Facultativa
Zona Aerobia
Figura 24. Esquema de una laguna de estabilización facultativa. Las bacterias
anaerobias (zona anaerobia) llevan a cabo la descomposición anaerobia y
desnitrificación, las facultativas (zona facultativa) son responsables de la oxidación
biológica aerobia y descomposición anaerobia, así como de los procesos de
nitrificación-desnitrificación; mientras que las bacterias aerobias (zona aerobia) son
responsables de la oxidación y nitrificación. Las algas (zona aerobia) realizan la
fotosíntesis y respiración. En el fondo de la laguna se depositan los lodos formados
por sólidos sedimentables, células muertas y flóculos biológicos.
37
En función de la forma de alimentación y descarga del agua residual que entra en las lagunas, la
clasificación es como:
• Lagunas continuas: entrada y salida continua tanto del agua residual como del efluente.
Son muy utilizadas en la depuración de aguas residuales urbanas.
• Lagunas semicontinuas o de descarga controlada: el agua residual se almacena durante un
tiempo prolongado hasta que se realiza el vaciado de la laguna. Se aplica en zonas con
variaciones climatológicas importantes o cuando se va a utilizar el agua depurada en riegos
regulados.
• Lagunas de retención total: Se diseñan para lagunas que no vierten a cauces públicos y
por tanto el agua tratada se evapora o se infiltra en el terreno. Son lagunas de gran
extensión y poca profundidad.
Cuando en la depuración de aguas residuales por lagunaje, se utiliza una combinación de lagunas
para alcanzar una mayor eficiencia de depuración biológica de la materia orgánica, la secuencia de
lagunas a utilizar es anaerobia - facultativa - aerobia ya que en las dos primeras se genera menor
biomasa que en las aerobias. Como las lagunas anaerobias poseen tiempos de retención de hasta
50 días, se utilizan en la primera etapa del tratamiento de aguas residuales con alto contenido de
materia orgánica biodegradable. El objetivo fundamental, más que obtener un efluente de calidad
es la reducción de sólidos y materia orgánica.
En el tratamiento por lagunaje hay que señalar la necesidad de aplicar pre tratamientos e
impermeabilización del fondo y las paredes de los estanques (excepto en las de retención total)
para evitar la contaminación de suelos y acuíferos subterráneos por la infiltración de aguas.
Las ventajas del sistema de lagunaje están determinadas porque es un proceso natural que se
integra fácilmente en zonas rurales, poseen bajo costo de construcción, explotación y evacuación
de lodos ya estabilizados con varios años. Las desventajas son la necesidad de gran extensión de
terreno y dependencia del rendimiento de depuración de la época del año y las condiciones
meteorológicas, las cuales pueden modificar la solubilidad del oxígeno disuelto y generación de
olores desagradables (H2S).
El sistema de lagunaje es el más utilizado en nuestro país para la depuración de aguas residuales
industriales. En Santiago de Cuba, por ejemplo, se utilizan lagunas de estabilización facultativas
(Figura 24) en las despulpadoras de café para el tratamiento de las aguas residuales del beneficio
húmedo del grano. En la Empresa Cárnica (Poblado El Cristo), se utiliza una combinación de
lagunas anaerobias y facultativas, mientras que en el Combinado Cítrico en Contramaestre se
aplican lagunas anaerobias para el tratamiento de aguas residuales del proceso de obtención de
jugos cítricos. La industria petrolífera utiliza un sistema de lagunas facultativas.
38
III.5. Filtros verdes
Se basan en el desarrollo y aprovechamiento de determinados cultivos y consisten en superficies
de terreno cubiertas de cultivos agrícolas o forestales (pastos, alfalfa) sobre los que se disponen
las aguas residuales. La depuración tiene lugar por la acción conjunta de las plantas
(macrofitodepuración), el suelo (edafodepuración) y los microorganismos del medio ambiente
mediante procesos físicos, químicos y biológicos. El agua residual llega al filtro por aspersión o
distribución superficial (inundación).
La edafodepuración es el proceso de depuración natural realizado por el suelo (soporte inerte de
bacterias) y ocurre en las capas superiores del suelo, que son las biológicamente activas, y que
actúa además como un filtro físico de sólidos en suspensión. El aire edáfico es la fuente de
oxígeno. La macrofitodepuración es el proceso de depuración natural que realizan las plantas
superiores (macrófitas) al absorber materia orgánica, nutrientes y sales del agua residual. Ambos
procesos actúan de forma independiente.
Si el cultivo es estacional el funcionamiento del filtro varía según la época del año y en otoño-
invierno se interrumpe la macrofitodepuración.
Por otra parte la depuración biológica con filtros verdes requiere de sistemas de pre tratamiento y
que el efluente no contenga sustancias nocivas para los cultivos. Los suelos muy arenosos y
arcillosos no son recomendables.
III.6. Sistemas de humedales
Se refiere al cultivo de especies vegetales parcialmente cubiertas de aguas (juncos) y plantas
acuáticas (jacintos, macío, papiro) (Figura 25). El fundamento es el mismo descrito para los filtros
verdes: asimilación de componentes del agua residual por las plantas, degradación biológica de la
materia orgánica por bacterias y plantas y filtración y sedimentación de los sólidos a través del
suelo.
El uso de humedales artificiales puede aplicarse para el tratamiento del drenaje ácido de las minas
ya que la zona radicular de las plantas puede mantenerse en un estado de anaerobiosis que
permite la formación de sulfuro por Desulfovibrio sp. El sulfuro formado puede capturar los
metales presentes en el agua y así se eliminan por bioprecipitación.
Recientemente en Cuba se inició la aplicación de humedales (macío y papiro) para la degradación
de la materia orgánica contenida en aguas albañales de varios repartos capitalinos situados en el
Gran Parque Metropolitano de La Habana, lo cual permitirá la reducción del 90 % de la
contaminación que recibe el río Almendares, principal acuífero de la cuenca de igual nombre.
También es posible utilizar sistemas de acuicultura, en los que la depuración del agua residual es
un objetivo añadido, ya que el fundamental es el cultivo de peces. En este caso es indispensable
asegurar la calidad sanitaria de los cultivos obtenidos debido a la posible acumulación de
compuestos tóxicos y patógenos.
39
III.7. Lechos de turba
Es un sistema de filtración artificial que se basa en la circulación del agua residual a través de una
capa de turba (material carbonado de la degradación biológica de materia vegetal en exceso de
agua y ausencia de oxígeno) situada sobre una capa de arena que a su vez es soportada sobre
una de grava (Figura 26). La turba filtra, retiene o adsorbe de modo similar al suelo. El proceso es
completado por la oxidación biológica que realizan los microorganismos que se fijan a la turba, la
cual se repone al cabo de varios años de funcionamiento. El sistema se diseña con al menos dos
unidades en paralelo, ya que cada 10 días aproximadamente debe limpiarse la superficie. El agua
residual debe someterse a un pre tratamiento antes de ser aplicada al lecho y en dependencia del
uso del agua tratada se ha de realizar un tratamiento terciario.
III.8. Filtros de arena
Se emplean para la depuración de las aguas residuales urbanas de pequeñas poblaciones. Su
funcionamiento se basa en la depuración biológica que llevan a cabo los microorganismos que se
desarrollan en el lecho, mientras que las partículas en suspensión son retenidas en el filtro. Los
filtros de arena (Figura 27) se construyen depositando una capa de arena de 60-90 cm de espesor
sobre una de grava, en la que se sitúa un sistema de drenaje para recoger el agua depurada
(Figura 27). Para evitar la saturación del lecho y mantener las condiciones aerobias; el agua,
previamente tratada, se distribuye de forma intermitente. Al igual que en el sistema de lechos de
turba, el agua depurada debe ser sometida a un tratamiento terciario para su reutilización.
Terreno natural o artificial
Juncos
Jacintos de agua
Sedimentos
Figura 25. Sistema de humedales
40
Grava
Agua residual (pre tratada)
Agua depurada
Arena
Turba
Figura 26. Esquema de un lecho de turba
Grava
Agua residual (pre tratada)
Agua depurada
Arena
Figura 27. Esquematización del filtro de arena
41
III. 9. Tratamiento anaerobio.. Digestión anaerobia
El tratamiento de depuración anaerobia se fundamenta en la degradación de la materia orgánica
en ausencia de oxígeno molecular, por microorganismos específicos. Se utiliza en el tratamiento
de aguas residuales industriales (ARI) de alta carga orgánica (2 – 30 g/mL de DBO), tratamiento
de fangos de depuradoras y residuos ganaderos fundamentalmente. Además, se emplea en
secuencias de tratamiento (anaerobio - aerobio) para la depuración de aguas residuales urbanas
(ARU) por lagunaje o eliminación de P y N2 en estas.
Durante la degradación anaerobia de la materia orgánica también tienen lugar reacciones
catabólicas (degradación) y anabólicas (síntesis), sin embargo a diferencia del proceso aerobio el
gasto energético es mucho menor debido a que las bacterias anaerobias utilizan solo el 10% de la
energía contenida en la fuente de carbono para su metabolismo y por tanto la producción de
biomasa es entre 5 y 10 veces más baja (Figura 28). El 90% restante es transformado en biogás.
Las bacterias aerobias consumen entre un 60 y un 65% de la energía del sustrato para crecer y el
resto lo utilizan en otras funciones metabólicas y es disipada en calor.
100% DQO
Anaerobia
Aerobia
CH4 + CO2 (90%)
H2O + CO2
Energía 35%
O2 *
* En caso de contar con digestión aerobia de lodos de purga.
Células 10%
Células 65%
Figura 28 Diagrama de digestión anaerobia y energía (Bello 1995)
42
La degradación anaerobia de la materia orgánica es comparable con el proceso que se desarrolla
en el rumen o panza de los rumiantes. Es un proceso muy complejo que ocurre a través de varias
etapas consecutivas y simultáneas (Figura 29), en las que intervienen cuatro grupos bioquímicos
o fisiológicos de microorganismos (Tabla 9), con una alta interdependencia nutritiva. De hecho es
un ecosistema con una cadena trófica (cada una de las relaciones alimentarias que se establecen
de forma lineal entre organismos que pertenecen a distintos niveles tróficos) donde todos son
microorganismos de degradación progresiva de la materia orgánica hasta su mineralización a
metano y dióxido de carbono, y no predadores unos de otros.
En un digestor estabilizado existe de 108 – 1010 UFC/mL de los microorganismos no metanógenos
(hidrolíticos, fermentadores y acetogénicos) con una velocidad de crecimiento µ = 0,1 –0,5 h-1 y
entre 105 -108 UFC /mL de metanógenos con una velocidad de crecimiento µ = 0,01 –0,02 h-1. La
relación entre no metanógenos y metanógenos está determinada por la concentración de
hidrógeno producida por los primeros y consumida por los segundos. Tal situación condiciona que
se mantenga siempre un equilibrio entre estas poblaciones y no el crecimiento de ambas a la vez.
Las bacterias hidrolíticas degradan las macromoléculas orgánicas (solubles e insolubles) a
especies solubles de menor tamaño. Este grupo microbiano es decisivo, pues en el resto de las
etapas intervienen bacterias que solo actúan sobre la materia orgánica disuelta. Las bacterias
acidogénicas, que son facultativas, fermentan azúcares, aminoácidos, ácidos grasos y otros a
ácidos grasos volátiles (AGV), alcoholes, aldehídos, hidrógeno, amoníaco y dióxido de carbono.
Las bacterias acetogénicas producen ácido acético, dióxido de carbono, e hidrógeno a partir de los
AGV y su desarrollo depende del consumo de hidrógeno por las bacterias hidrogenotróficas. Las
bacterias metanogénicas, las cuales son anaerobias estrictas, de crecimiento lento y sensibles al
pH, utilizan el ácido acético, fórmico y CO2 para producir metano. La mezcla de productos
gaseosos obtenidos (CH4, CO2, H2S, NH3) se denomina biogás y puede ser empleado como
combustible.
La digestión anaerobia es muy atractiva tanto desde el punto de vista del reciclaje como
energético, ya que el gas producido es rico energética y caloríficamente. Se estima que por cada
kg de DQO eliminado se producen 0,35 m3 de biogás cuyo poder calorífico es aproximadamente
6000 kcal/m3; lo que equivale a 1,5 kg de madera, 6,8 kW/h de electricidad o 0,8 L de gasolina
para un biogás de composición CH4 /CO2, 70 y 30 % respectivamente. El biogás producido es
utilizable en calefacción, iluminación y generación de electricidad.
43
Partículas de Material Orgánico Proteínas Carbohidratos Lípidos
Aminoácidos, Azúcares Ac. Grasos, Alcoholes
Productos Intermediarios Propionato, Butirato, otros
Acetato Hidrógeno, Dióxido de Carbono
5
Hidrólisis 1A 1B 1C
2 3 Fermentación
Oxidación anaerobia
4
6
Metanogénesis Reductiva
(Hidrogenótrofos) Metanogénesis Acetoclástica
(Acetótrofos) Metano
Figura 29. Etapas de la digestión anaerobia: Hidrólisis: Hidrólisis de los polímeros (1) y
Fermentación de aminoácidos y azúcares (2), Acidogénesis: Oxidación anaerobia de largas
cadenas de ácidos grasos (3), Acetogénesis: Oxidación anaerobia de ácidos grasos volátiles a
acetato (4) y Metanogénesis: Formación de metano a partir del acetato (5) y Formación de
metano a partir del hidrógeno y el dióxido de carbono (6). En el proceso de hidrólisis
participan enzimas proteasas (1A), carbohidrasas (1B) y lipasas (1C).
44
En Cuba, dadas las características de su base productiva, la aplicación de tecnologías de digestión
anaerobia ha estado dirigida fundamentalmente a centrales azucareros y fábricas derivadas del
azúcar.
Resultados en Cuba de la aplicación de la tecnología de la Digestión Anaerobia
Residual Reactor
% Remoción
(Carga
orgánica)
Productividad
m3 de biogás x m3
reactor
Efluentes de centrales Campana flotante 50-60 (STV) 0,75-0,90
Vinazas de destilería UASB
Filtro Anaerobio
89-90 (DQO)
89-90 (DQO)
0,80-0,95
5,00-8,00
Aguas residuales café Campana flotante
UASB
50-55 (STV)
85-90 (DQO)
0,75-1,00
5,00-7,00
Residuales porcinos Cúpula fija
Filtro Anaerobio
55-60 (STV)
80-90 (DQO)
0,75-1,30
1,00-3,50
Residuales bovino Cúpula fija
Campana flotante
50-55 (STV)
50-55 (STV)
0,50-0,75
0,50-0,75
Fuente: Bermúdez y col., 2000
Comparación del biogás con otros combustibles tradicionales
Combustible Utilización Rendimiento
(%) Equivalente a 1m3 de biogás
Madera Cocción de alimento 12 5,56 kg
Carbón vegetal Cocción de alimento 25 1,64 kg
Butano Cocción de alimento 60 0,40 kg
Propano Cocción de alimento 60 0,39 kg
Diesel Cocción de alimento
Motor de combustión 50
30
0,55 kg
0,36 L
Energía Eléctrica
Cocción de alimento
Motor de combustión
Alumbrado
67
9
80
5,00 kWh
2,00 kWh
1,79 kWh
Fuente: Bermúdez y col., 2000
45
III. 9.1. Clasificación de los digestores anaerobios
Se conocen varios tipos de digestores que se adaptan a las diferentes características de las aguas
residuales o de los lodos a digerir. El desarrollo de la tecnología anaerobia tiene como objetivo
fundamental lograr la retención de la biomasa activa dentro de reactor, de modo que pueda
operarse con menor tiempo de residencia hidráulica de los lodos dentro del reactor y mayor
tiempo de retención de sólidos en el mismo. En base a ello los digestores anaerobios pueden
clasificarse teniendo en cuenta el grado de desarrollo del diseño o utilizando como criterio
diferenciador los métodos de retención de la biomasa dentro del reactor.
III.9.1.1. Por el grado de desarrollo del diseño del digestor
Se clasifican en tres generaciones:
Reactores de primera generación
Agrupa los reactores anaerobios más primitivos. Se caracterizan porque en su interior la biomasa
activa se encuentra en suspensión o sedimentada con un mínimo de contacto con el sustrato.
Estos digestores poseen tiempos de retención hidráulica (TRH, tiempo que permanece el agua
residual en el reactor y se calcula como Volumen del digestor/Volumen del efluente-día) entre 5 y
30 días según el tipo específico de digestor. La mayoría de los reactores de esta generación se
emplean en el tratamiento de desechos sólidos y en la depuración de aguas residuales urbanas.
En esta generación de reactores se encuentran:
• Fosa séptica
• Tanque Imhoff (Figura 30)
• Digestores anaerobios convencionales
• Digestor anaerobio completamente mezclado
• Digestor anaerobio de contacto (Figura 31)
El tanque Imhoff y la fosa séptica se consideran sistemas de decantación – digestión ya que junto
a la decantación de los sólidos del agua residual, se produce la digestión anaerobia de los mismos
y de la materia orgánica disuelta. Estos sistemas de tratamiento individual se aplican en pequeños
núcleos de población y pueden constituir el único método de depuración del agua residual o la
primera etapa del tratamiento; siendo la segunda infiltración sobre el terreno, lecho filtrante,
entre otros.
Los digestores convencionales son los que más se han desarrollado en las condiciones de Cuba.
Fueron los primeros que surgieron para el tratamiento de residuales agrícolas fundamentalmente.
Se caracterizan por tener largos tiempos de retención y bajas velocidades de transformación del
sustrato, en comparación con los otros tipos de digestores.
Existen dos variantes convencionales: Digestores de baja velocidad y Digestores de alta velocidad.
Los digestores de baja velocidad (Hindú, Horizontal y Chino) son los más tradicionales, operan en
el nivel mesofílico y no emplean mezclado. Debido a esto su contenido se encuentra estratificado,
46
lo cual requiere tiempos de retención muy largos (30-60 días). Los digestores de alta velocidad
(CSTR), a diferencia de los de baja velocidad, emplean mezclado continuo y dos etapas con
recirculación de lodos generalmente. La primera etapa constituye el verdadero digestor de alta
velocidad; mientras que la segunda puede ser un digestor de baja velocidad con el objetivo de
separar el biogás de la fase líquida y de los lodos. La recirculación de lodos permite aumentar el
tiempo de residencia de estos, reduciéndose el tiempo de retención.
El digestor completamente mezclado puede trabajar de forma continua o discontinua, es muy
sencillo y no dispone de sistema de retención de biomasa; requiriendo elevados tiempos de
retención hidráulica. La homogenización de los lodos se logra por agitación mecánica o
recirculación del gas producido en el proceso. Es el más utilizado en la línea de lodos de las
plantas depuradoras de aguas residuales urbanas.
Los digestores de flujo de pistón funcionan de forma continua y el fango es obligado a un
desplazamiento horizontal a lo largo del reactor, que posee sistemas de agitación y calentamiento.
Son muy utilizados en el tratamiento de fangos con alto contenido de sólidos, como los residuos
ganaderos.
Los digestores de contacto son de aplicación más universal en el tratamiento anaerobio de aguas
residuales (Figura 31). La recirculación de los lodos se realiza mediante una sedimentación
externa de los mismos en un sedimentador adicional. Se aplica mucho en el tratamiento de
residuos ganaderos, efluentes industriales de mataderos, cerveceras, combinados lácteos,
destilerías y otros.
Reactores de segunda generación
Se caracterizan por tener la biomasa adherida o en suspensión y los microorganismos son
retenidos dentro del reactor por dos vías: mediante un soporte al cual se adhieren formando una
biopelícula, o por sedimentación interna. Estos sistemas están diseñados básicamente para la
remoción biológica de la materia orgánica contenida en las aguas residuales urbanas o
industriales. El tiempo de retención hidráulica de estos digestores es bajo, en comparación con los
reactores de primera generación, oscilando entre 0.5 a 3 días, lo que implica una importante
reducción en los volúmenes del reactor, así como una mayor estabilidad y facilidad en su
operación.
47
Gases Agua residual
Efluente
Espuma
Lodos almacenados
Cámara de digestión Sólidos decantables
Tubería de limpieza
Extracción de fangos
Figura 30 Tanque Imhoff con sistema de decantación-digestión. (Orozco y col 2004)
Agua residual o Fangos
Biogás
Agua depurada
Biomasa decantada Recirculación de lodos digeridos
Figura 31. Digestor de contacto. (Orozco y col 2004)
48
Los principales representantes de esta generación son:
• Filtro Anaerobio (Figura 32)
• Reactor de película fija
• Reactor de lecho anaerobio con flujo ascendente o UASB (Upflow Anaerobic Sludge
Blanket) Figura 33
En los digestores de lecho anaerobio con flujo ascendente, UASB (Figura 33), no se precisa de
ningún soporte para retener la biomasa, ya que es la propia biomasa la que produce los flóculos
con buena capacidad de sedimentación en el propio reactor; que retarda su arrastre fuera del
digestor. Opera siempre con un flujo ascendente de las aguas residuales o lodos a tratar. Se
aplica en la depuración de aguas residuales de cerveceras, papeleras, industria azucarera y de
conservas.
Los digestores de filtro anaerobio (Figura 32), utilizan material de relleno inerte en el reactor,
donde se adhiere la biomasa que se desarrolla durante el tratamiento de depuración. La
naturaleza del relleno es muy variada (carbón activado, piedras, anillos y esferas de cerámica o
vidrio, plástico y otros) y por tanto el filtro es sensible a colmatarse, razón por la cual no tolera
efluentes con alto contenido de materia en suspensión.
En los digestores de película fija el relleno impide la colmatación del filtro y pueden trabajar con
flujo ascendente o descendente.
Agua residual o Fangos
Relleno
Biogás
Agua depurada
Figura 32. Filtro anaerobio: digestor de biomasa adherida con sistema de lecho fijo.
49
Reactores de tercera generación
Al igual que los reactores de segunda generación, retienen en su interior a los microorganismos
en forma de biopelículas, pero el soporte se expande o fluidifica a altas velocidades de flujo. El
funcionamiento de estos reactores se basa en que el soporte utilizado es lo suficientemente
pequeño y ligero para ser fluidificado mediante la recirculación del agua residual. El tiempo de
retención hidráulica alcanzado por los reactores de tercera generación es mucho menor que el de
los reactores de segunda generación, pudiendo llegar a ser inferior a 12 horas; lo que es posible
por la alta superficie del soporte (> 200m2/m3) y la fuerte agitación en el lecho, favoreciendo la
transferencia de sustrato y el contacto biomasa –sustrato.
De esta clase de reactores existen dos variantes:
1
4 3
Influente
1. lecho de lodos 2. flujo ascendente 3. separador gas-líquido 4. área de sedimentación
Efluente
2
Biogás
Figura 33. Reactor UASB con sistema de sedimentación interna. (Bermúdez y col 2000).
50
• Reactor de lecho expandido o EGSB (Expanded Granular Sludge Bed)
• Reactor de lecho fluidificado (Figura 34)
En los digestores de lecho expandido o fluidificado (Figura 34) se produce un lecho mixto, con
biomasa activa adherida sobre partículas inertes de alta densidad y pequeño tamaño (arena fina,
alúminas). Si la velocidad de ascenso del fango es entre 2 -10 m/h se dice que el digestor es de
lecho expandido; mientras que si la velocidad es entre 6 -20 m/h se dice que el digestor es de
lecho fluidificado. La fluidificación se logra por la recirculación del efluente del digestor ya sea solo
o con parte del gas producido. La aplicación industrial de esta tecnología aún está en
investigación.
Existen también los denominados sistemas híbridos, en los que se combinan en un mismo reactor
dos tecnologías diferentes. La más conocida es el digestor híbrido UASB/Filtro Anaerobio donde se
aprovechan las ventajas de cada reactor para optimizar el volumen y la eficiencia del reactor. La
ventaja del UASB es que reduce considerablemente el empaque del FA, y la ventaja del FA es que
Agua residual o Fangos
Recirculación de fangos
Agua depurada
Biogás
Partículas inertes fluidizadas
Figura 34. Digestor de lecho fluidificado. (Orozco y col 2004).
51
reduce las pérdidas masivas de lodos que tiene lugar en reactores UASB. Los reactores híbridos
son importantes para el tratamiento biológico de aguas residuales que contienen mezclas de
hidrocarburos, como la que se obtiene en la producción de ácido t-ftálico de industrias químicas y
petroquímicas, alcanzándose valores de remoción de DQO 3 veces más altos que con un reactor
UASB.
III. 9.1.2. Por el método de retención de la biomasa dentro del reactor
En base a la retención de la biomasa, existen dos clasificaciones: digestores de biomasa no
adherida y digestores de biomasa adherida
Digestores de biomasa no adherida
• Sistemas sin recirculación de lodos
Digestor de mezcla completa
Digestor de flujo de pistón
Lagunas anaerobias
• Sistemas con recirculación de lodos
Digestor anaerobio de contacto (Figura 31)
• Sistemas con sedimentación interna
Digestores lecho anaerobio con flujo ascendente (Figura 33)
Digestores de biomasa adherida
• Sistemas de lecho fijo
Filtro anaerobio (Figura 32)
Digestor de película fija
• Sistemas de lecho expandido y fluidificado
Reactor EGSB
Reactor de lecho fluidificado (Figura 31)
III. 9.2. Factores que influyen en el proceso de digestión anaerobia
En el proceso de digestión anaerobia influyen parámetros como el oxígeno disuelto (inhibe la
metanogénesis), la temperatura (a mayor valor, menor tiempo de digestión; no obstante se suele
trabajar entre 35 y 37 °C), pH (debe estar entre 6,8 y 7,4), alcalinidad y ácidos grasos volátiles,
(lo ideal es menos de 500 ppm de AGV y entre 1000 – 5000 ppm de HCO3-), inhibidores (metales
pesados, nitrocompuestos, compuestos con grupos amino y organoclorados) y nutrientes (la
relación C/N/P óptima es de 100/0,5/0,1). El contenido de carbono está determinado por la DBO.
La inhibición del proceso está directamente relacionada con la inhibición de la metanogénesis.
Valores de pH por debajo de 6,6 inhiben la metanogénesis (debido a que predomina la forma
molecular del ácido acético, el cual no es asimilado por las bacterias metanogénicas) y si es muy
alcalino, además de la formación de ácido sulfhídrico, se desprende amonio que también es tóxico
52
a concentraciones muy elevadas. Los antibióticos afectan a los no metanogénicos, y por tanto
inhibe la metanogénesis al romperse el equilibrio entre las bacterias no metanogénicas y las
metanogénicas; sin embargo no está del todo claro la afectación exacta que producen.
III.9.3. Ventajas de la depuración anaerobia de residuos
Entre las principales ventajas de la depuración anaerobia respecto a la depuración aerobia pueden
citarse:
• Baja producción de fangos
• Menor requerimiento de nutrientes
• Obtención de biogás
• Menor costo de operación
• Asimilación de altas cargas orgánicas e hidráulicas
• Eliminación más eficiente de patógenos (se destruyen nemátodos y virus)
• Obtención de lodos digeridos que pueden utilizarse como abono agrícola o alimento
animal
III.10. Reutilización de las aguas residuales depuradas
El incremento continuo de la demanda de agua para los diferentes usos y los problemas de
contaminación de este recurso no renovable, así como su disponibilidad hace necesario
plantearse, de una forma planificada, la reutilización de las aguas residuales una vez depuradas.
Los posibles usos de las aguas residuales depuradas son:
• Agrícola (como agua de riego): este uso consume casi el 80% del total. Debe tenerse
en cuenta el tipo de cultivo y su forma de consumo por el hombre (incluida la acuicultura)
ya que determinará el grado de tratamiento. Otro aspecto a considerar es la conservación
de la capa fértil del suelo teniendo en cuenta las normativas que limitan algunos
parámetros como salinidad, metales pesados, sólidos en suspensión y otros.
• Municipales urbanos: limpieza de calles, riego de parques y jardines, agua contra
incendios, limpieza de camiones de basura. La reutilización como agua potable queda
totalmente prohibida salvo en casos de catástrofes y con carácter transitorio.
• Recreativos: actividad deportiva y paisajística
• Industriales: lavado, refrigeración. Debe tenerse muy en cuenta la formación de
depósitos y corrosión, tanto química como microbiológica.
• Inyección en acuíferos
La Organización Mundial de la Salud (OMS) recomienda diferentes métodos de tratamiento para
que se cumplan los requisitos sanitarios de reutilización de las aguas residuales (Tabla 12)
53
Tabla 12. Métodos de tratamiento aplicables a las aguas residuales según su uso
Riego agrícola Recreación Municipal Tratamientos 1 2 3 4 5
Industrial 6 7
Primario xxx xxx xxx xxx xxx xxx xxx xxx Secundario xxx xxx xxx xxx xxx xxx xxx
Filtración c/arena xxx xxx xxx Nitrificación xxx
Desnitrificación
Coagulación química
Adsorción c/ Carbón
activado
Desionización
Desinfección xxx xxx xxx xxx xxx: indispensable
1. Cultivos uso humano no directo, 2. Cultivos que se consumen cocinados y piscicultura, 3. Cultivos que se
consumen crudos, 4. Contacto humano, 5. Sin contacto humano, 6. Agua no potable, 7. Agua potable.
CAPITULO IV. TRATAMIENTO BIOLOGICO DE RESIDUOS SOLIDOS
Tratamiento aerobio. Compostaje. Tratamiento anaerobio. Vertedero controlado. Reactores
anaerobios.
IV.1. Compostaje. Definición. Compost
Actualmente se producen grandes cantidades de residuos sólidos que requieren una eliminación
segura. Una parte de estos es material inerte (vidrio, metales, plástico); pero el resto es materia
orgánica biodegradable.
El compostaje es una alternativa muy atractiva a los vertederos para el tratamiento de residuos
sólidos urbanos, agrícolas, excretas animales, fangos de depuración de aguas residuales o de
digestores anaerobios. Es una de las técnicas más antiguas para el tratamiento de residuos
sólidos y parece tener sus raíces en el proceso dirigido por Sir A. Howard, en la India, donde se
procesaban los residuos orgánicos (basura, paja y hojas) en capas alternadas con estiércol y
fango cloacal. El proceso conocido por Indore fue modificado para acelerar el proceso de
degradación aerobia y reducir los malos olores, llamándose entonces Bangalore. En otras partes
del mundo, alrededor de los años veinte, se iniciaron procesos similares, diversificándose en más
de 30 procesos diferentes que se identifican con el nombre de sus inventores o dueños . Los
campesinos de la Edad Media amontonaban los residuos de la casa con las excretas animales para
su descomposición y transformación en productos más manipulables y aprovechables como
54
adobo. Actualmente el proceso es el mismo, no obstante se efectúa en condiciones controladas de
aireación y mecanizado; de modo que sea un proceso aplicable y económicamente rentable,
además de las ventajas ambientales.
El composteo o compostaje se define como la degradación bioquímica de la materia orgánica
fermentable para convertirla en un compuesto bioquímicamente inactivo llamado compost y como
todo proceso biológico está restringido a la fracción orgánica de los residuos. Se desarrolló
originalmente para mejorar los suelos, reponiéndoles la materia orgánica y los micronutrientes
perdidos a causa de un cultivo excesivo. Por ello puede considerarse un proceso de reciclaje,
donde se recuperan los compuestos orgánicos biodegradables para su empleo en la agricultura; lo
cual puede traducirse en la devolución a la naturaleza de las sustancias extraídas de ella.
El compost es un material que se obtiene por la acción microbiana en condiciones aerobias
controladas a partir de desechos orgánicos como materia prima. La fabricación del compost
(Figura 35) dura de 3 a 4 semanas y se lleva a cabo en pilas estáticas (caballones que se
remueven mecánicamente cada cierto tiempo para favorecer la aireación) o aireadas (aireación
forzada por succión o insuflando aire a la pila). Las pilas suelen prepararse sobre el suelo o zona
pavimentada, sin comprimir el material, de 1,5 a 3m de altura y tan larga como se desee.
Capa externa (compost)
Base porosa Balsa para lixiviados
Gases (CO2, H2O)
Capa interna (material no tratado)
Figura 35. Esquema de una pila de compost
55
IV.2. Etapas del proceso de compostaje
Las plantas de compostaje (Figura 36) se diseñan de modo tal que se identifique la zona de
recepción de los residuos, a la cual se le instalan biofiltros para la depuración del aire, zona de
selección, en la cual se separa el material orgánico del resto de la materia no biodegradable, zona
de fermentación con balsa de lixiviados para recoger los líquidos del proceso, en la cual ocurre la
transformación de la materia orgánica biodegradable en compost y zona de maduración y afino,
donde se estabiliza, homogeniza y se prepara el producto según las especificaciones deseadas.
Las etapas del proceso de compostaje son tres:
1. Pre tratamiento de los residuos: En esta etapa son separados los materiales reciclables de
la materia orgánica biodegradable, la cual es reducida a menor tamaño para facilitar el
proceso biológico. En el pre tratamiento se ajustan las condiciones de humedad, relación
C/N y nutrientes.
La humedad interna de la pila debe ser entre 40-60%. Si excede el 60% la degradación
ocurre por vía anaerobia con la formación de metano, amoníaco y sulfuro de hidrógeno. En
ocasiones se añaden lodos de depuradoras de aguas residuales para mantener la adecuada
humedad y contribuir a aumentar la población microbiana especializada en la degradación
de la materia orgánica; no obstante la basura contiene una población bacteriana suficiente
para llevar a cabo el proceso. La relación C/N no debe ser mayor que 50:1 ya que el
nitrógeno pasa a ser sustancia limitante en la síntesis celular; por el contrario si la relación
C/N es muy baja (menos de 1:2) se produce entonces amoníaco. Muchos estudios sugieren
que la relación óptima es 25:1. Respecto a los nutrientes se ajusta fundamentalmente
contenido de fosfato y nitrato.
2. Degradación de la fracción orgánica: El proceso de compostaje puede representarse como:
Materia orgánica + O2 + Nutrientes + microorganismos → biomasa + compost + CO2 +
H2O + NO3- + SO4
2- + calor.
En esta etapa hay una reducción considerable del volumen y peso de los residuos y
aumento de la temperatura del material a degradar. Una vez finalizada la actividad
bacteriana, la temperatura disminuye.
3. Preparación y venta del producto final: Una vez obtenido el compost, éste se somete a un
proceso de maduración, secado y tamizado para alcanzar su estabilización total, en
dependencia de las especificaciones requeridas en el producto final y sus aplicaciones.
IV.3. Características del compost
El compost obtenido es un material oscuro o negro, insoluble en agua y soluble a pH alcalino
(dando un extracto coloreado). Posee una relación C/N entre 10:1 y 20:1, bioquímicamente es
inestable y si las condiciones de temperatura y humedad son favorables se oxida a CO2, H2O y
56
sales inorgánicas. Tiene una alta capacidad de intercambio con los constituyentes inorgánicos del
suelo y absorción de agua.
Debido a que el contenido de nitrógeno en el compost es mínimo, no se puede clasificar como un
fertilizante sino como un adobo o mejorador de suelos. El bajo contenido en nitrógeno se debe a
que la temperatura y aireación existentes durante el proceso oxidan el nitrógeno que se pierde en
forma de óxidos gaseosos. Por otra parte el contenido de carbono en el compost disminuye a
mayores velocidades que el nitrógeno porque es utilizado como fuente de energía por los
microorganismos heterótrofos y se expulsa como CO2.
Solo el compost maduro puede utilizarse como adobo, pues de lo contrario el nitrógeno se
inmoviliza (C/N muy alto) o se produce amoníaco (C/N muy bajo) que afecta la vegetación. Si el
compost no está suficientemente maduro se degrada consumiendo oxígeno, dando lugar a un
medio reductor que favorece la movilidad de los metales.
Con el desarrollo de la Agricultura Urbana en Cuba se ha estimulado la aplicación del compostaje
en granjas urbanas y organopónicos para dar tratamiento a los restos de cosecha y obtener un
mejorador de suelo que es aplicado nuevamente a los propios cultivos.
Entre los restos de cosecha más utilizados en los organopónicos pueden citarse el quimbombó, la
berenjena y la habichuela, a los cuales se les adiciona un poco de aserrín, cascarilla de café o
estiércol para favorecer el aporte de carbono a la pila. El volteo se realiza de forma mecánica por
paleo cada quince días. Empíricamente la temperatura se controla introduciendo una varilla
metálica en la pila.
57
Además de la relación C/N y la humedad, ya explicadas anteriormente, es necesario controlar la
temperatura, pH y aireación.
Durante el compostaje se combinan etapas mesofílicas (15 -30 °C) y termofílicas (45-70 °C) para
la transformación de los residuos en el compost. En el interior de la pila se alcanzan valores muy
altos (Figura 37) que pueden inhibir el proceso de de biodegradación, lo cual se minimiza con el
volteo periódico de la pila y rociado de agua. Estas altas temperaturas se alcanzan
espontáneamente debido a que las reacciones aerobias de oxidación son exotérmicas. La
Residuo crudo (materia prima)
Lixiviados
Depuración biológica o química
Lodos (aguas residuales)
Zona de recepción
Zona de selección Material reciclable
Fermentación
Clasificación Cribado Separación magnética Trituración
Vidrio Plástico Papel/cartón Materia no ferrosa
COMPOST
Maduración/ Secado
Tamizado
Agricultura/ Jardinería
Aire
Figura 36. Diagrama de flujo del proceso de compostaje Metrowaste (Metropolitan
Waste Conversión)
58
eliminación de los patógenos (Salmonella, Shigella, y otros), parásitos (helmintos, nemátodos) y
larvas de insectos e insectos se logra entre 35 y 55 °C.
El pH de los residuos sólidos (referido a materia orgánica degradable) es por lo general entre 5 y
7, casi neutro cuando están frescos y ácidos (5 a 6) después de uno o dos días. El control del pH
es un método simple e indirecto de medir la degradación. La degradación inicial aerobia provoca
un descenso de 4,5 a 5,5 cuando se inicia la fase ácida, pero después vuelve a subir seguido de
un incremento de la temperatura a valores termofílicos. Cuando se alcanza la temperatura
máxima, la reacción es alcalina (pH 8 a 9).
El contenido de oxígeno debe ser entre el 15 y el 20% v/v, concentración que se alcanza con el
volteo periódico de la pila.
IV.4. Microbiología del compostaje
Microbiológicamente la pila de compostaje es un cultivo mixto de hongos, bacterias y
actinomicetos (Tabla 13). En las primeras etapas del compostaje predominan los microorganismos
mesófilos y cuando la temperatura alcanza los 40 °C aproximadamente aparecen los
microorganismos termófilos y actinomicetos (tabla 13).
30°C
30°C
60°C
40°C
40°C 50°C
50°C
Figura 37. Variación de la temperatura en las diferentes zonas de la pila de compost
59
Tabla 13. Grupos microbianos presentes en las pilas de compostaje
Grupo Mesófilo Termófilo
Cellulomonas
Myxococcus
Thiobacillus Bacterias
Pseudomonas
Bacillus
Nocardia
Streptomyces
Thermoactinomyces Actinomicetos
Thermomonospora
Fusarium Aspergillus
Coprinus Humicola
Rhizopus Mucor
Trichoderma Chaetonium
Aerobasidium Penicillium
Hongos
Torula
Fuente: Trejo, 1996
IV. 5.Ventajas y Desventajas del compostaje
El compostaje mejora las propiedades físicas del suelo (da consistencia a los terrenos ligeros y
suelta a los demasiados compactos, aumenta la retención de agua) y su actividad biológica
(aumenta el contenido de materia orgánica del suelo, la resistencia de las plantas a las
enfermedades y el crecimiento de las raíces). Favorece además la actividad química del suelo
(facilita el abonado químico y la disolución de los minerales, aporta algunos nutrientes vegetales
como NO3- y PO4
3-) y reduce la lixiviación de nitrógeno y fósforo solubles que se usan como
fertilizantes. Es una técnica adecuada para procesar residuos industriales de industrias cárnicas,
vegetales y madereras, puede asociarse a otros métodos de depuración biológica de residuos
(lodos activados), permite la reutilización de la materia orgánica, se puede emplear sin
restricciones en parques y jardines, regeneración de terrenos, recuperación de explotaciones
mineras a cielo abierto y como método de biorrestauración de suelos contaminados con explosivos
como el TNT (2,4,6 trinitrotolueno) o derivados de la triazina con muy buenos resultados
Las desventajas del compostaje son: altos costos de instalación y funcionamiento, mercado
inestable, estacional o inexistente, requiere clasificación previa de la materia orgánica y la
ubicación de la planta es difícil por las molestias que ocasiona a las poblaciones aledañas. En el
60
caso de la Agricultura Urbana, se minimizan estas desventajas al realizarse el proceso en el
mismo terreno de organopónicos y granjas urbanas.
IV.6. Tratamiento anaerobio de residuos sólidos. Vertederos controlados
Los vertederos constituyen la forma más sencilla de eliminar los residuos sólidos, en especial los
de origen urbano, con el mínimo costo directo. En él los microorganismos facultativos y
anaerobios degradan la materia orgánica de los residuos; sin embargo si la humedad y las
condiciones ambientales son favorables la materia orgánica se degrada muy lentamente con la
producción de metano y hundimiento del terreno, además de los problemas estéticos y de salud
pública que presentan. Por otra parte los lixiviados pueden penetrar a las aguas subterráneas
originando serios problemas de contaminación ya que la capacidad de autodepuración de los
receptores subterráneos, a diferencia de los superficiales, es mínimo y por tanto la persistencia de
los contaminantes es alta.
Para Cuba, país que no posee grandes cuencas hidrográficas ni ríos muy caudalosos, resulta
imprescindible conservar y proteger la calidad de sus aguas subterráneas, las cuales se
encuentran en el seno de rocas carsificadas y el carso es muy vulnerable a la contaminación.
Una modificación al tratamiento de residuos sólidos en vertederos es el vertedero controlado o
relleno sanitario (landfill), en los cuales los residuos depositados diariamente son cubiertos con
una capa fina de tierra (Figura 38). Esto limita la proliferación de plagas y los problemas de salud
pública. Una vez lleno el vertedero, el lugar queda disponible para fines recreativos y
construcción.
Los antecedentes de los actuales rellenos sanitarios se remonta a los tiempos bíblicos. En las
excavaciones de Kouloure en Chosos, antigua capital de Creta se encontraron trazas de mezclas
de basura y fango, así como residuos que habían sido enterrados. Algunos autores atribuyan la
aplicación del método, tal como se conoce hoy, a los ingenieros ingleses JC Dawes y M Call
quienes lo utilizaron por primera vez en Bradford, Inglaterra en los años veinte. En Francia se
comenzó a utilizar en 1935. Otras versiones indican que, durante la Segunda Guerra Mundial, el
ejército de EUA practicó el relleno sanitario para remover grandes cantidades de residuos sólidos.
A partir de los años cuarenta el método se difundió ampliamente por el mundo y hoy en la
actualidad es el más popular a nivel mundial; aunque tiende a dejar de serlo por las dificultades
que acarrea encontrar un terreno adecuado a distancias económicas para el transporte de la
basura.
61
El “Talón de Aquiles” del vertedero controlado es la selección y diseño adecuados del terreno para
impedir que los productos de descomposición anaerobia, metales pesados y otros contaminantes
se filtren hacia los acuíferos subterráneos. Usualmente se impermeabiliza el vertedero con arcilla
para evitar la filtración de agua y fuga de contaminantes. Los productos de lixiviación se hacen
recircular a través de humedales. El metano liberado se recupera a través de una tubería porosa
dentro del vertedero (Figura 38).
Un vertedero es un gran reactor químico en el que tienen lugar reacciones bioquímicas
(descomposición de la materia orgánica), redox (físico-químicas), adsorción, ácido-base y
complejación. Participan en ellas los residuos depositados en el vertedero (compuestos orgánicos
naturales y antropogénicos e inorgánicos), el oxígeno que difunde a través de la capa superior,
agua de hidratación de los residuos y de escorrentía y los microorganismoes presentes en los
residuos. Los productos que se obtienen en el vertedero son:
- residuos mineralizados (sólidos): son los sólidos inertes en los que se transforma la
materia orgánica fermentable y que, junto con los materiales no degradables,
permanecerán en el vertedero indefinidamente
- lixiviados (líquidos): poseen doble origen; por un lado provienen de la disolución de los
componentes solubles de los residuos por parte del agua de lluvia y por el otro lado
CH4 + CO2
Suelo natural
Plástico
Tierra
Residuos
Grava
Impermeabilizante
Figura 38. Representación esquemática del vertedero controlado
62
provienen de la humedad que contienen los propios residuos y sus productos de
descomposición.
- gases (biogás): el biogás está formado principalmente por metano (45-60%) y dióxido de
carbono (40-60%)
La fase inicial de descomposición y degradación de la materia orgánica en un vertedero es aerobia
(en la superficie), pero las características y diseño del método propicia que se den las condiciones
anaerobias. Frecuentemente es común escuchar el término biometanización referido a la
producción de biogás como resultado del tratamiento biológico.
IV.6.1.Clasificación de los vertederos controlados
Según el tipo de residuo que se deposite:
• Vertederos de residuos no peligrosos: en estos se procesa la basura urbana y otros
residuos industriales y sanitarios asimilables a urbanos
• Vertederos de residuos peligrosos: en ellos se tratan aquellos residuos generados por
cualquier actividad que por sus características físicas, químicas y biológicas puedan
representar un peligro para el Medio Ambiente y la salud humana.
• Vertederos de residuos inertes
Según la forma de vertido pueden ser:
• Vertedero tipo hondonada, zanja o celda: Los residuos son tratados en desniveles del
terreno o excavaciones
• Vertedero tipo área o zona: Los residuos son tratados amontonándose en superficies de
terrenos preparadas para ese fin.
• Vertedero mixto: Los residuos son tratados en terrenos que combinan los dos tipos
anteriores.
Por el tiempo de aparición de las condiciones anaerobias:
• Vertederos de baja y media densidad: Las capas de residuos, una vez compactadas, son de
1,5 a 2 m, alcanzándose densidades de 0,5 – 0,8 ton/m3. Los residuos se cubren
diariamente con material inerte.
• Vertederos de alta densidad: Las capas de residuos, una vez compactadas, son de 15 a 20
cm, alcanzándose densidades de 1 ton/m3. Los residuos no se cubren diariamente con
material inerte y se produce menor cantidad de lixiviados. Este es el tipo de vertedero que
más se ha extendido y en él se distinguen tres áreas: vertido (depósito y extensión de los
residuos), tratamiento (compactación) y reposo (degradación anaerobia, mientras se
espera otra fase de compactación o vertido)
En sentido general las ventajas de los vertederos controlados son: fácil implantación, bajo costo
de instalación y funcionamiento, capacidad de absorber variaciones de producción, reutilización
del terreno tras la clausura. Entre las principales desventajas pueden citarse: no se aprovechan
63
los recursos contenidos en los residuos sólidos, requieren grandes superficies de terreno, costo del
transporte (traslado desde el origen hasta el vertedero).
IV.7. Reactores anaerobios
Como se planteó al describir los sistemas de tratamiento biológico para aguas residuales, estos
reactores se basan en la degradación anaerobia de la materia orgánica. Los tipos de reactores
más utilizados en el tratamiento de residuos sólidos son el digestor anaerobio convencional
(residuos agrícolas y ganaderos) y el digestor anaerobio completamente mezclado (lodos
procedentes de plantas de fangos activados).
La aplicación de reactores anaerobios para el tratamiento de residuos sólidos está muy extendida
en todo el país. Los residuos sólidos más utilizados son excretas animales de origen avícola,
vacuna, bovina y porcina; cachaza y hojas forrajeras.
El Centro de Estudios de Biotecnología Industrial (CEBI), posee una amplia
experiencia en el diseño, arranque y puesta en marcha de digestores de biogás a
partir de residuos sólidos y líquidos tanto industriales como agrarios.
Con el fin de lograr un escalado de los resultados obtenidos a nivel de laboratorio
en las investigaciones sobre digestión anaerobia, sustituir el gas licuado que se
emplea en los laboratorios de Microbiología e Inmunología por una fuente de
energía renovable (biogás), así como el empleo de los lodos de digestión como
bioabono en la agricultura orgánica, en 1994 se construyó un digestor convencional
(diseño hindú) de cúpula fija con gasómetro externo. En el digestor se han
procesado residuos sólidos ganaderos (estiércol vacuno), agrícolas (pulpa de café,
paja de arroz y cachaza). El digestor en sus 10 años de explotación como unidad
experimental, ha contribuido a desarrollar en los estudiantes y profesionales que
se han capacitado, una conciencia medio- ambientalista, a partir de la Tecnología
de la Digestión Anaerobia, como una vía eficiente y económica para el tratamiento
de residuos sólidos.
Fuente: Balance de Ciencia y Técnica. Informe final CEBI 2005
64
Digestor anaerobio instalado en la azotea del Centro de Estudios de Biotecnología Industrial-
CAPITULO V. TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE GASES
V.1. Filtros biológicos
Los procesos de tratamiento de residuales y aguas residuales producen olores que causan
molestia a las poblaciones cercanas y contribuyen significativamente a la contaminación
atmosférica (formación de smog y reducción de la capa de ozono). Generalmente las emisiones
gaseosas de los diferentes procesos industriales o del tratamiento de residuos (incineración,
arrastre con aire y otros) que pueden contener gases tóxicos se controlan por diversos métodos
físico – químicos (filtración, adsorción, oxidación) que además de trabajosos son muy costosos. La
alternativa más rentable a estos métodos es el uso de microorganismos capaces de asimilar las
emisiones orgánicas y volátiles (benceno, tolueno, xileno, clorobenceno, terpenos, compuestos
orgánicos volátiles, sulfuro de hidrógeno y otros) como fuente de carbono. Esta técnica aunque
relativamente nueva puede eliminar entre el 70 y el 99% de los contaminantes gaseosos.
Los filtros biológicos (Figura 40) se basan en comunidades microbianas que crecen sobre una
superficie sólida, que puede ser perlita, turba, compost, poliuretano para formar la biopelícula o
biofilms (similar a lo que ocurre en el tratamiento de aguas residuales).
(bacterias)
Gas + O2 → biomasa + CO2 + H2O
65
La principal limitación de los biofiltros está en la acumulación de biomasa residual en el medio
filtrante y el agotamiento del lecho por la aparición de productos del metabolismo microbiano,
ácidos fundamentalmente.
Una aplicación muy común de los biofiltros para el tratamiento biológico de residuos gaseosos, es
en el control del olor. Los olores desagradables son generados directamente por la biodegradación
anaerobia de la materia orgánica contenida en las aguas residuales o por la degradación de
solventes, compuestos volátiles y derivados del petróleo a partir de resiuales industriales.
Indirectamente se generan a partir de efluentes sulfurosos. Los mercaptanos (HS) y el sulfuro de
hidrógeno (H2S) son los más significativos. El sulfuro de hidrógeno además de ser tóxico a los
microorganismos es muy corrosivo para las instalaciones metálicas. Las aguas domésticas por
ejemplo, arrastran de 3-6 mg/L de sulfuro orgánico principalmente de materiales proteicos, más 4
mg/L de sulfonatos procedentes de los detergentes domésticos y de 30 -40 mg/L de azufre
inorgánico como sulfato.
Los tipos fundamentales de bioreactores para el tratamiento biológico de residuos gaseosos son
filtros de volumen medio (biofilters), filtros goteantes (trickling biofilters, Figura 39) y filtros
limpiadores (bioscrubbers). Otras tecnologías propuestas son birreactores de espiral, birreactores
de mebrana y difusión de lodo activado
B
B
Sistema de colección de aire
Sistema de distribución de efluente primario
Filtro de goteo (plástico)
Efluente
Aire sucio Sistema de distribución de aire sucio
Figura 39. Esquema de un biofiltro de goteo para control del olor (Burgués y col 2001).
66
INDICE
Página
Capítulo I. Medio Ambiente y Contaminación Ambiental
I.1. Contaminación ambiental
I.1.1. Política ambiental cubana. Papel del CITMA
I.2. Contaminación de las aguas. Fuentes contaminantes
I.2.1. Fuentes contaminantes del agua
I.2.2. Parámetros generales indicadores de contaminación de las aguas
I.3. Eutrofización
I.4. Contaminación atmosférica. Fuentes de contaminación
I.4.1. Tipos de contaminación atmosférica
I.5. Contaminación del suelo. Fuentes contaminantes
I.5.1. Tipos de contaminación de contaminación de los suelos
I.6. Métodos analíticos en el control de contaminantes
I.6.1. Muestras ambientales
I.6.2. Métodos de análisis
Capítulo II. Tratamiento integral de residuos
La utilización de células de Thiobacillus thioparus (bacilo Gram negativo con
flagelación polar) inmovilizados sobre poliuretano en un biofiltro goteante permitió
la remoción del 95% del H2S presente en el biogás. Esto favorece la mejor
utilización del biogás y rentabilización del proceso de depuración de residuos por
vía anaerobia, ya que la presencia de grandes cantidades de sulfuro de hidrógeno
en el biogás limita su utilización como combustible.
En Holanda desde 1989 se utiliza la biofiltración para depurar los gases
producidos por tostadores de soja, eliminándose el 90% de los compuestos
orgánicos gaseosos. Otra aplicación ha sido en las plantas de extrusión de pienso
para la eliminación del 99% de los olores del proceso.
En Alemania se emplea la biofiltración para eliminar el 99% del etanol y alcohol
isopropílico durante el secado de la cerámica.
Fuente: Ramírez, 2006; Burgués, 2001
67
II.1. Residuos
II.2. Tipos de residuos
II.2.1. Residuos gaseosos
II.2.2. Residuos líquidos
II.2.3. Residuos sólidos
II.3. Tratamiento integral de residuos
II.3.1. Pretratamientos
II.3.2. Tratamiento primario
II.3.3. Tratamiento secundario o biológico
II.3.4. Biotecnología Ambiental en el tratamiento biológico de residuos
II.3.5. Tratamiento terciario o especial
II.3.6. Tipos de tratamientos de residuos
Homogenización
Cribado y Desbaste
Desarenado
68
Página
Desengrase o Desnatado
Flotación
Sedimentación
Coagulación/ Floculación
Neutralización
Separación de fases
Adsorción
Oxidación/ Reducción
Precipitación química
Desinfección
Arrastre con vapor de agua
Intercambio iónico
Procesos con membrana
Absorción
Colectores
Filtros
Clasificación
Mezclado
Incineración
Pirólisis
Combustión directa
Inmovilización y aislamiento
Capítulo III. Tratamiento biológico de aguas residuales
III.1. Lodos o fangos activados
III.1.1. Tratamiento del exceso de fangos
III.1.2. Eliminación de nitrógeno y fósforo en aguas residuales por el sistema de
fangos activados
III.2. Lechos o filtros bacterianos
III.3. Contactadores biológicos rotativos (CBR)
III.4. Lagunaje o lagunas de estabilización
III.5. Filtros verdes
69
III.6. Sistemas de humedales Página
III.7. Lechos de turba
III.8. Filtros de arena
III.9. Tratamiento anaerobio. Digestión anaerobia
III.9.1. Clasificación de los digestores anaerobios
III.9.1.1. Por el grado de desarrollo del diseño del digestor
III.9.1.2. Por el método de retención del biomasa dentro del reactor
III.9.2. Factores que influyen en el proceso de digestión anaerobia
III.9.3. Ventajas de la depuración anaerobia de residuos
III.9.10. Reutilización de las aguas residuales depuradas
Capítulo IV. Tratamiento biológico de residuos sólidos
IV.1. Compostaje. Definición. Compost
IV.2. Etapas del proceso de compostaje
IV.3. Características del compost
IV.4. Microbiología del compostaje
IV.5. Ventajas y desventajas del compostaje
IV.6. Tratamiento anaerobio de residuos sólidos. Vertedero controlado
IV.6.1. Clasificación de los vertederos controlados
IV.7. Reactores anaerobios
Capítulo V. Tratamiento biológico de gases
V.1. Filtros biológicos
Indice
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70
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