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FUNDAMENTOS BIOLÓGICOSFUNDAMENTOS BIOLFUNDAMENTOS BIOLÓÓGICOSGICOS

Ecología y Ecosistemas

Microbiología de las aguas residuales

Bacterias y organismos depredadores

Fundamentos de los procesos de depuración biológica

Metabolismo bacteriano

Tipos de metabolismo

Reactores biológicos. Factores ambientales

Crecimiento bacteriano

Demanda bioquímica de oxígeno

EcologEcologíía y Ecosistemasa y Ecosistemas

MicrobiologMicrobiologíía de las aguas residualesa de las aguas residuales

Bacterias y organismos depredadoresBacterias y organismos depredadores

Fundamentos de los procesos de depuraciFundamentos de los procesos de depuracióón bioln biolóógica gica

Metabolismo bacterianoMetabolismo bacteriano

Tipos de metabolismoTipos de metabolismo

Reactores biolReactores biolóógicos. Factores ambientalesgicos. Factores ambientales

Crecimiento bacterianoCrecimiento bacteriano

Demanda bioquDemanda bioquíímica de oxmica de oxíígenogeno

CONTENIDO

Fundamentos biológicosFundamentos biológicosEcología y ecosistemas

● La Ecología es la parte de la biología que estudia la estructura y funcionamiento de la naturaleza

● La Ecología estudia las interacciones entre los seres vivos y su entorno abiótico o habitat, definiendo una unidad de estudio que es lo que se denomina un ecosistema

Fundamentos biológicosFundamentos biológicosMicrobiología de las aguas residuales


Microorganismos. Bacterias

► Las bacterias son organismos procariotas unicelulares (moneras), que se alimentan por absorción a través de la membrana celular y se reproducen generalmente por partición binaria (fisión)

► Existe una gran cantidad de especies de bacterias, con formas y tamaños diferentes (1-10 µm)

► Las bacterias están constituidas en un 80% de agua y un 20% de materia seca, el 90% de la cual es orgánica, pudiéndose formular aproximadamente como C5H7NO2


CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS MICROORGANISMOS

-AUTÓTROFOS C de CO2

Fotosintéticos: energía de la luz solarQuimiosintéticos: energía de una reacción redox inorgánica

-HETERÓTROFOS C de la materia orgánica

[Fotosintéticos: energía de la luz solar]Quimiosintéticos: energía de una reacción redox orgánica

Fundamentos biológicosFundamentos biológicosMetabolismo bacteriano

TIPOS DE METABOLISMO- Metabolismo respiratorio (procesos aerobios o procesos anóxicos)- Metabolismo fermentativo (procesos anaerobios)

Oxidación y síntesis:Microorg

M.O. (Sustrato)+Nutrientes+ [O2 ] ➜ CO2 + H2O + NH3(N2) +C5H7NO2 + Energía

CLASIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS (Requerimientos de O2 disuelto)

- AEROBIOS- ANAEROBIOS- FACULTATIVOS

Fundamentos biológicosFundamentos biológicosReactores biológicos: Factores ambientales

Temperatura:Criófilas: Entre -10 y 30ºC Óptima 12 – 18ºCMesófilas: Entre 20 y 50ºC Óptima 25 – 40ºCTermófilas: Entre 35 y 75ºC Óptima 55 – 65ºC

Turbulencia

pH Entre 4 - 9,5 Óptimo 6,5 - 7,5

Potencial redox y Salinidad

Sustrato-Nutrientes-Microorganismos

Tóxicos o inhibidores

Fundamentos biológicosFundamentos biológicos

Fundamentos biológicosFundamentos biológicosReactores biológicos: Funcionamiento

1) Cultivos en película fija

Filtros percoladores (de goteo)BiodiscosBiocilindros

2) Cultivos en suspensión

Reactor biológico de fangos activos

Fundamentos biológicosFundamentos biológicosCrecimiento bacteriano

Tiempo

Logaritmo delnúmero

de células

Fase estacionaria

Fase decrecimiento

exponencialFase de retardo

Fase de muerte

(de respiraciónendógena)

Fundamentos biológicosFundamentos biológicosCrecimiento bacteriano

PROBLEMATeniendo en cuenta que la composición del tejido celular se puede representar por la fórmula: C5H7NO2, y sabiendo que se trata de una oxidación con oxígeno, indique una ecuación química posible para el proceso de respiración endógena, suponiendo que el N celular se transforma en N2(g).

4 C5H7NO2 + 23 O2 ➔ 20 CO2 + 14 H2O + 2 N2

Respiración endógena:

C5H7NO2 + 5 O2 → 5 CO2 + 2 H2O + NH3 + Energía

Fundamentos biológicosFundamentos biológicosCrecimiento bacteriano. Parámetros cinéticos

Crecimiento celular y utilización del sustrato(Modelo de crecimiento exponencial)

rg = dX/dt = µ·X

X = X0· eµ·t

Expresión de Monod(Modelo de crecimiento limitado)

Fundamentos biológicosFundamentos biológicosCrecimiento bacteriano. Modelo de Monod

µmax

µmax/2

(1/X)·dX/dt

Tasa máxima

KS Concentración de sustrato SKS’


Descomposición endógena

rd (Velocidad de descomposición endógena) = - kd·X


Consumo de sustrato


Valores típicos de los coeficientes cinéticosen el tratamiento de aguas

Coeficiente Rango Valor típico µmax 0,1-0,5 hr-1 0,12 hr-1 KS 25-100 mg DBO5/L 60 mg DBO5/L Y 0,4-0,8 mg SSV/mg DBO5 0,6 mg SSV/mg DBO5kd 0,0020-0,0030 hr-1 0,0025 hr-1


PROBLEMA

¿En cuanto se reducirá la DBO (mg/L) de un agua residual en un reactor biológico, en un periodo en el que los sólidos suspendidos volátiles (SSV) pasan de 2200 a 2360 mg/L, si la productividad (Y) en el reactor es 0,8?

R. 200 mg/L

FUNDAMENTOS BIOLÓGICOSFUNDAMENTOS BIOLFUNDAMENTOS BIOLÓÓGICOSGICOS

Demanda bioquímica de oxígeno

Concepto

Ecuaciones cinéticas. DBO infinita y DBOt

Constante cinética de la DBO

DBO5. Medida de la DBO

Oxidación del nitrógeno. DBO nitrogenada

Limitaciones al ensayo de la DBO

DTO, DQO, COT y DBO

Demanda bioquDemanda bioquíímica de oxmica de oxíígenogeno

ConceptoConcepto

Ecuaciones cinEcuaciones cinééticas. DBO infinita y ticas. DBO infinita y DBODBOtt

Constante cinConstante cinéética de la DBOtica de la DBO

DBODBO55. Medida de la DBO. Medida de la DBO

OxidaciOxidacióón del nitrn del nitróógeno. DBO nitrogenadageno. DBO nitrogenada

Limitaciones al ensayo de la DBOLimitaciones al ensayo de la DBO

DTO, DQO, COT y DBODTO, DQO, COT y DBO

CONTENIDO


Concepto de DBO

La DBO se refiere al oxigeno disuelto (OD) consumido por la degradación biológica natural (oxidación biológica) de la materia orgánica (MO biodegradable)

Así, en el caso de una sustancia biodegradable como el etanol (C2H6O) se tiene:

MicroorganismosC2H6O + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O + Energía

El OD consumido en la reacción se puede calcular, ya que de la misma resulta un valor de 4 g OD / g C. De manera que multiplicando por 4 los mg/L de C del etanol que se han oxidado tendríamos la DBO en mg/L

DBO: Demanda bioquímica de oxígeno


Concepto de DTO

En realidad la cifra anterior es inferior, ya que no todo el C biodegradable se utiliza para la oxidación, El cálculo realizado se refiere a la DTO, demanda teórica (o estequiométrica) que permite obtener un valor por exceso


PROBLEMASabiendo que la ecuación química para el proceso de respiración endógena, se puede expresar como:

4 C5H7NO2 + 23 O2 ➔ 20 CO2 + 14 H2O + 2 N2

indique la demanda teórica de oxígeno (DTO) para la oxidación completa de los microorganismos de un reactor biológico que contiene 2300 mg de SSV(materialcelular) /LR. 3745 mg O2/L


Concepto de DBO

El oxígeno consumido es directamente proporcional al C biodegradable (sustrato) oxidado. Este hecho, unido a que resulta más fácil medir el OD que la concentración de sustrato, y que lo que realmente importa no son los contaminantes en sí, sino el efecto que producen sobre el OD, justifica que la concentración de MO biodegradable se exprese casi siempre por la DBO



Concepto de DBO


En una muestra de agua contaminada con MO biodegradable aislada de la atmósfera, pero con suficiente OD y en presencia de microorganismos para que ocurra la oxidación biológica, las concentraciones de OD y de sustrato evolucionan (decrecen exponencialmente) con el tiempo tal como se muestra en la figura

Este es el comportamiento correspondiente a una cinética de primer orden

[OD] (S)

Tiempo


Concepto de DBO


En una cinética de primer orden se cumple:

dS/dt = - k·S St = S0 · e – kt

Sustrato consumido en el tiempo t = S0 - St = S0 (1 – e – k·t)Oxígeno consumido en el tiempo t = [OD]0 - [OD]t = DBOt

Si se iguala el sustrato consumido a la DBO, se tiene:

DBOt = S0 (1 – e – k·t)

Pero para t =∞ se cumple que: DBOt = S0 = DBO∞

De donde resulta:

DBOt = DBO∞(1 – e – k·t)


S remanente (DBO) y DBO (ejercida)


DBO5

S0DBO4

DBO (S)

Tiempo (días)5

DBO5

S0 - S5

S5

DBOS consumido

S remanente


Ecuaciones cinEcuaciones cinééticas. DBO infinita y ticas. DBO infinita y DBODBOtt


PROBLEMAS

● Si la DBO5 de un agua vale 200 mg/L y la constante cinética k a 20ºC vale 0,15 día-1, determine ¿qué fracción de la materia orgánica del agua se habráoxidado a los 10 días a 20ºC?R. 0,777 (77,7%)

● Se ha analizado en el laboratorio a 20ºC la demanda bioquímica de una muestra de agua procedente de un colector que recoge las aguas residuales de una empresa antes de su vertido a un río próximo, siendo los resultados los siguientes: DBO10 = 533 mg/L y DBO20 = 592,6. Determine el valor de la DBO∞del agua del colectorR. DBO∞ = 600 mg/L


Concepto de carga contaminante y habitanteConcepto de carga contaminante y habitante--equivalenteequivalente


PROBLEMAS● Determine la carga contaminante de una empresa, expresada en habitantes –equivalentes (h-e), referida al valor de la DBO5 (400 mg/L) de sus aguas residuales (vertido), sabiendo que el caudal del vertido es de 0,1 m3/s. DATO: 1 h-e equivale a una DBO de 60 g de O2/díaR. 57600 h-e

● El reactor biológico de una planta de fangos activos va a tratar un caudal de 3000 m3/día de un efluente primario que tiene una DBO de 200 ppm. Determine la carga contaminante tratada, expresada en habitantes-equivalentes (h-e), sabiendo que cada persona produce diariamente una contaminación orgánica correspondiente a una DBO de 60 g de O2.R. 10000 h-e


Influencia de la temperatura en la DBOInfluencia de la temperatura en la DBO


k kTT= −

2020( )θ

La temperatura influye en la DBOt pero no en la DBO∞

La temperatura influye de manera positiva en la velocidad de las reacciones (Arrhenius): T↑ k ↑


Medida de la DBOMedida de la DBO5


Medida del consumo neto de OD en la muestra diluida en un periodo de 5 días, a 20ºC, en completa oscuridad

Muestra diluida = Muestra original + Agua de dilución

Medidas en blancos (agua de dilución) y muestras

OD final no puede ser cero

V muestra diluida = 300 mL (botella especial)

Agua de dilución

Microorganismos

Nutrientes

Regulador del pH

Inhibidor


Medida de la DBOMedida de la DBO


Dilución de la muestra original

% de dilución (% DIL)

% DIL = (Volumen muestra sin diluir/Volumen muestra diluida)·100

Factor de dilución (f)

f = Volumen muestra diluida/Volumen muestra sin diluir = 100 / (%DIL)

Cálculo de la DBO5

DBO5 = [(O2 consumido)muestra diluida - (O2 consumido)blanco· (1 - %DIL/100)]·f

DBO5 = [OD (blanco) - OD (muestra)]a los 5 días ·f


Medida de la DBOMedida de la DBO


CUESTIONES► Se toma 1 mL de una muestra original de un agua residual y se diluye hasta 300 mL (volumen de la botella estándar) para realizar el ensayo de la DBO5. Si el agua de dilución no consume oxígeno y si la muestra original resulta tener una DBO5 de 600 mg/L. ¿Cuál habrá sido el consumo de oxígeno disuelto de la muestra diluida tras el periodo de cinco días?R. 2 mg/L

► Si se estima que una determinada agua residual debe tener una DBO5de unos 500 mg/L, y se quiere conseguir una reducción del oxígeno disuelto de 4 mg/L en las muestras diluidas de dicha agua que se analicen en el laboratorio para determinar la DBO5, ¿qué volumen de muestra original se habrá de tomar para diluirlo hasta 300 mL a la hora de realizar el ensayo en el laboratorio?R. 2,4 mL


Oxidación del nitrógeno. DBO nitrogenada


Reacción global: NITRIFICACIÓN

Microorganismos

NH4+ + 2 O2 ➔ NO3⎯ + H2O + 2 H+

■ Proceso biológico en dos etapas

■ Bacterias autótrofas

■ El N-NH4+ también ejerce una demanda sobre el OD

igual que la MO biodegradable

■ La DTO nitrogenada vale 4,57 (64/14) mg OD/ g N


DBO5

S0

DBO

Tiempo (días)5

DBOCarbonosaDBOCarbonosaDBOCarbonosaDBOCarbonosaDBOCarbonosa

DBONitrogenada

DBO carbonosa y DBO nitrogenada


■ La DBO nitrogenada también responde a una cinética de primer orden:DBOt-N = DBO∞-N(1 – e – k·t)

■ DBO total = DBO carbonosa + DBO nitrogenada

Fundamentos biológicosFundamentos biológicosLimitaciones al ensayo de la DBOLimitaciones al ensayo de la DBO

● Problemas con la DBO. Variabilidad y tiempo

● Alternativas a la DBO: COT y DQO

● DBO y DQO: medida de la biodegradabilidad

● DTO (estequiométrica) > DQO > COT > DBO

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