Proceso de Tratamientos Unitarios.docx PARA ENVIAR

8/16/2019 Proceso de Tratamientos Unitarios.docx PARA ENVIAR

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PREVENCION

DE

RIESGOS

Procesos Biológicos Unitarios

Tratamientos de aguas residuales

INTEGRANTES: Michel Camos! Maria "ose! Mic#el Ri$era! Ignacio %ernande&! Rodrigo

'amorano(

CARRERA: Ingieneria en Pre$encion de Riesgos! Calidad ) Medio Am*iente(

ASIGNAT+RA: Residuos ,i-uidos

PRO.ESOR: Pia Vi$anco

.EC%A: /0de no$iem*re de /120

INTRODUCCION

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La comprensión y aplicación de los procesos biológicos al tratamiento de aguasresiduales, requiere conocer los principios y fundamentos que nos ofrecen la bioquímicay la biotecnología, en este capítulo solo se esbozarán algunas generalidades por lo cualusted deberá reforzar estos conceptos en los módulos respectivos.

El objetivo principal del tratamiento biológico del agua residual es la eliminación demateria orgánica así como de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo, mediante laacción de diferentes microorganismos presentes en el agua, principalmente bacterias yhongos. ara facilitar el estudio, !ste capítulo se ha dividido en tres secciones"

#. $aracterísticas de los principales microorganismos presentes en el agua residual.

%. &etabolismo microbiano" 'igestión aerobia.

(. &etabolismo microbiano" 'igestión anaerobia.

). Eliminación biológica de nutrientes.

I. Metabolismo Microbiano: Microorganismos.

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Características Generales.

Las bacterias son organismos procariotas unicelulares, #* de forma esf!rica, %* cilíndricao helicoidal. Las esf!ricas pueden estar individualmente +cocos*, por pares +diplococos*o formando cadenas +estreptococos* y ramilletes +estafilococos*. Las cilíndricas puedenvenir individualmente +bacilos* o en cadenas +estreptobacilos* las espirales +espirilos* se

mantienen desunidas de otras compa-eras generalmente.

Tipos de microorganismos

'esde el punto de vista del modo de obtención de energía para las reaccionesmetabólicas y la síntesis de nuevo material celular, los organismos vivos se dividen enautótrofos y heterótrofos. Los organismos autótrofos obtienen su energía directamentede la luz solar o por reacciones inorgánicas.

Los organismos autótrofos tienen la propiedad de convertir compuestos inorgánicosoidados en compuestos orgánicos que almacenan la energía de la luz solar o de las

reacciones de óido/reducción en enlaces químicos de alta energía. El $0 % es paraellos, la fuente del carbono orgánico y en general, de toda la biomasa eistente en latierra. 1sí mismo son los que fijan la energía solar e inician el ciclo de transmisión deenergía a trav!s de la cadena alimentaría o cadena trófica, que da vida al resto deorganismos.

Los organismos heterótrofos sólo pueden obtener energía a trav!s de la oidación demateria orgánica, es decir, requieren compuestos sintetizados por organismosautótrofos. Estos organismos obtienen el carbono orgánico de compuestos orgánicos aldegradarlos obtienen la energía para sobrevivir.

Los micro/organismos, tanto eucarióticos como procarióticos, pueden obtener energía demanera autótrofa o heterótrofa como sus diferencias taonómicas son más importantesque el modo de alimentación, no se pueden clasificar como animales o vegetales sino enel reino protista.

En el agua residual se encuentran diferentes tipos de microorganismos, bacterias,hongos, algas, protozoos, siendo las bacterias las que en mayor porcentaje act2an ydegradan la materia orgánica.

BACTRIA!

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El medio ambiente de las bacterias es muy importante para su supervivencia. El p3debe estar preferiblemente entre 4,5 y 6,5. La temperatura puede fluctuar entre /%7$ y657$.

Crecimiento Bacteriano. El n2mero de microorganismos presentes en el agua residual+principalmente bacterias*, resulta fundamental en el porcentaje de remoción de materiaorgánica, estos organismos requieren unas condiciones especiales para su reproduccióny alimentación, como todo ser vivo nacen, crecen, se reproducen y mueren. 'esde elpunto de vista de población microbiana y disponibilidad de alimento se diferencian cuatrofases"

#. 8ase de 9etardo" :iempo requerido por las bacterias para aclimatarse al nuevo medio.

%. 8ase de crecimiento eponencial" En esta fase eiste una cantidad ecesiva dealimento alrededor de los microorganismos, el 2nico limitante en su crecimiento es supropia capacidad de metabolizar el alimento +substrato*.

(. 8ase 'ecreciente" La masa de bacterias disminuye como consecuencia de la limitadadisponibilidad de alimento.

). 8ase endógena" Los microorganismos se ven forzados a metabolizar su propioprotoplasma sin reposición del mismo debido a la escasez de alimento. En esta etapalos nutrientes que quedan en las c!lulas muertas se difunden proporcionando alimento alas c!lulas vivas.

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Organismos a"totr#$icos % &eterotr#$icos" &etabólicamente las bacterias pueden serclasificadas como heterotróficas o autotróficas. Los organismos autotróficos son aquellosque utilizan el $0% o bióido de carbono como fuente de carbono. ara efectuar lafijación del $0% en la estructura celular se requiere energía. ;i la energía requerida laproporciona el sol, o la luz sint!tica, se dice que el organismo es fotosint!tico.

Los autotróficos son los productores de la cadena alimenticia ya que proporcionan lasproteínas, carbohidratos y demás nutrientes que requieren los heterotróficos para vivir.Los microorganismos heterotróficos son aquellos que tienen como fuente de carbonomol!culas de estructuras orgánicas más complejas como son las mol!culas losaz2cares, proteínas y carbohidratos.

Los organismos heterotróficos no son capaces de obtener su fuente de carbono delbióido de carbono y requiere de los autotróficos para alimentarse.

Las bacterias son las grandes responsables de la descomposición o estabilización de lamateria orgánica, la cual es medida a trav!s de la '


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Digesti#n aerobia % anaerobia:

Digestión aerobia" La digestión aerobia se efect2a cuando microorganismos aerobios osea los que requieren oígeno, descomponen la materia orgánica para la obtención deenergía en su provecho.

En este tipo de tratamiento se llevan a cabo procesos catabólicos oidativos. $omo elcatabolismo oidativo requiere de la presencia de un oidante de la materia orgánica, el

cual no se encuentra en las aguas residuales, siendo suministrado. La forma másconveniente de hacerlo es disolviendo oígeno del aire mediante la aireaciónmecánica, lo que implica altos costos operacionales del sistema detratamiento. 1dicionalmente la mayor parte de la '>0 de la materia orgánica esconvertida en lodo, que cuenta con un alto contenido de material vivo que debe ser estabilizado.

Representaci#n de la digesti#n aerobia

Aplicaciones de la digesti#n aerobia.

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@ Nitrificación: El nitrógeno puede encontrarse en las aguas como nitrógeno orgánico,nitrógeno amoniacal, nitritos y nitratos. En aguas residuales no tratadas la mayor partedel nitrógeno se encuentra como nitrógeno orgánico y como nitrógeno amoniacal. Enaguas residuales tratadas básicamente aparece como nitrógeno amoniacal.

Trans$ormaciones del nitr#geno en los tratamientos biol#gicos.

Digestión anaerobia: La oidación anaerobia requiere de microorganismos anaerobios que sonlos que subsisten en ausencia de oígeno, y su metabolismo es muy diferente al de losmicroorganismos aerobios.proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de las

aguas residuales. El proceso se caracteriza por la conversión de la materia orgánica a metano yde $0%, en ausencia de oígeno y con la interacción de diferentes poblaciones bacterianas.

Representaci#n de la digesti#n anaerobia

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Aplicaciones de la digesti#n anaerobia. La digestión anaerobia ha sido utilizadaampliamente para estabilizar lodos provenientes de plantas de tratamiento de aguas

residuales dom!sticas, y en una menor proporción, pero con una tendencia de aumentosignificativo en aguas residuales proveniente de industrias de alimentos.

'entro de las aplicaciones se tiene"

!"l$ato Red"cci#n. El proceso durante el cual el sulfato se reduce a sulfuro dehidrógeno, mediante la participación de las bacterias sulforeductoras +


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La desnitrificación es utilizada en pos tratamientos de aguas residuales para removernutrientes.

+apel de los microorganismos"

La remoción de la '


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Los principales procesos de tratamiento biológico de cultivo en suspensión empleados

para la eliminación de la materia orgánica carbonosa son"

• el proceso de fangos activados

•

las lagunas aireadas• el reactor de flujo discontinuo secuencial

• el proceso de digestión aerobia

+roceso de $angos acti*ados

Este proceso proviene de la producción de una masa activada de microorganismos

capaz de estabilizar un residuo por vía aerobia.

'escripción del proceso. 'esde el punto de vista del funcionamiento, el tratamiento

biológico de aguas residuales mediante el proceso de fangos activados se suele llevar acabo utilizando un diagrama de flujo como el de la 8igura A/#(. El residuo orgánico se

introduce en un reactor, donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión.

El contenido del reactor se conoce con el nombre de Bliquido mezclaC. 1 pesar de que la

reacción de la respiración endógena conduce a la formación de productos finales

relativamente sencillos y al desprendimiento de energía, tambi!n se forman algunos

productos orgánicos estables y se puede observar que si todas las c!lulas se oidan por

completo, la '


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El ambiente aerobio en el reactor se consigue mediante el uso de difusores o de

aireadores mecánicos, que tambi!n sirven para mantener el liquido mezcla en estado de

mezcla completa. 1l cabo de un periodo determinado de tiempo, la mezcla de las nuevas

c!lulas con las viejas se conduce hasta un tanque de sedimentación para su separación

del agua residual tratada. Dna parte de las c!lulas sedimentadas se recircula para

mantener en el reactor la concentración de c!lulas deseada, mientras que la otra parte

se purga del sistema. La fracción purgada corresponde al crecimiento de tejido celular

asociado a un agua residual determinada. El nivel al que se debe mantener la masa

biológica depende de la eficacia deseada en el tratamiento y de otras consideraciones

relacionadas con la cin!tica del crecimiento.

Microbiología del proceso.

ara proyectar un sistema de fangos activados correctamente y con las debidas

garantías de buen funcionamiento. es necesario comprender la importancia de los

microorganismos dentro del sistema. En la naturaleza, el papel clave de las bacterias es

descomponer la materia orgánica producida por otros organismos vivos. En el proceso

de fangos activados, las bacterias son los microorganismos más importantes, ya que son

los causantes de la descomposición de la materia orgánica del afluente. En el reactor, o

tanque de aireación, las bacterias aerobias o facultativas utilizan parte de la materia

orgánica del agua residual con el fin de obtener energía para la síntesis del resto de la

materia orgánica en forma de c!lulas nuevas. sólo una parte del residuo original se oida

a compuestos de bajo contenido energ!tico tales como el 0(/ , el ;0)/% 0 el $0% el

resto se sintetiza en forma de materia celular. Los productos intermedios que se forman

antes de producirse los productos finales de oidación son muy diversos.

En general, las bacterias que intervienen en el proceso de fangos activados incluyen los

g!neros seudomonas, Foogloea, 1chromobacter, 8lavobacterium, ocardia,


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En el caso de aguas residuales dom!sticas, los tiempos medios de retención celular

necesarios para conseguir una buena sedimentación oscilan entre ( y ) días.

1unque se obtenga una ecelente formación de flóculos, el efluente del sistema podría

tener un alto contenido de sólidos biológicos, como consecuencia de un mal dise-o de la

unidad de sedimentación secundaria, mal funcionamiento de los dispositivos de

aireación, o por la presencia de organismos filamentosos como el ;pbaerotilus, los E.coli u hongos.

:abla , sobretiempos medios de retención celular en lodos activados.

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An,lisis del proceso:

9eactor de mezcla completa con recirculación. En el sistema de mezcla completa, que

se ilustra de forma esquemática en la 8igura A/#( y en la fotografía de la 8igura A/#), el

liquido del reactor se mezcla completamente, y se supone que el contenido de

microorganismos en el agua que entra al reactor es nulo. $omo se muestra en la 8igura

A/#(, la unidad de separación de sólidos +tanque de sedimentación* en la que seseparan las c!lulas del reactor para su posterior recirculación, es una parte integral del

proceso de fangos activados. 'ebido a la presencia de esta unidad de separación de

sólidos, la elaboración de un modelo cin!tico para describir este sistema precisa de dos

hipótesis adicionales"

• La estabilización de los residuos por parte de los microorganismos se produce

2nicamente en el reactor. Esta hipótesis conduce a un modelo conservativo +en

algunos sistemas se puede producir cierto grado de estabilización de los residuos

en la unidad de sedimentación*.

• El volumen utilizado al calcular el tiempo medio de retención celular del sistema

sólo incluye el volumen del reactor.

8igura, 9eactor típico de mezcla completa con aireador de superficie.

El tanque de sedimentación sirve como depósito desde el que se recirculan los sólidos

para mantener un nivel determinado de !stos en el tanque de aireación. ;i el sistema es

tal que no se cumplen estas hipótesis, es necesario introducir modificaciones en elmodelo propuesto. or ejemplo, en sistemas de fangos activados con oígeno puro, se

ha demostrado que más del 5G por #GG de los sólidos totales del sistema pueden estar

presentes en el tanque de sedimentación secundaria.

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-l"o en pist#n con recirc"laci#n.

El sistema de flujo en pistón con recirculación celular puede emplear para modelar

ciertas formas del proceso de fangos activados. La característica que distingue estesistema con recirculación es que el r!gimen hidráulico del reactor es del tipo de flujo en

pistón. En un modelo de flujo en pistón verdadero, todas las partículas que entran en el

reactor permanecen en el interior del mismo durante id!ntico periodo de tiempo. 'ebido

a la recirculación, algunas partículas pueden pasar por el reactor en más de una

ocasión, pero mientras están en el interior del tanque, todas permanecen el mismo

tiempo.

8igura, 9eactor de flujo en pistón con recirculación celular.

8igura, 9eactores de flujo continuo típicos" +a* con difusores de burbuja fina, y +b*

con difusores de burbuja gruesa.

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El sistema de flujo en pistón con recirculación puro, es teóricamente más eficaz en la

estabilización de la mayoría de los residuos solubles que el sistema de mezcla completa

con recirculación. Es difícil conseguir un r!gimen de flujo en pistón puro debido a la

dispersión longitudinal. Esta dificultad, junto con el hecho de que el sistema de flujo en

pistón no puede soportar elevadas cargas instantáneas de la misma manera que el

sistema de mezcla completa, tiende a reducir las diferencias entre los rendimientos de

ambos modelos. ;e ha podido comprobar que, al dividir el tanque de aireación en una

serie de reactores en serie, se puede mejorar la eficacia del tratamiento sin que ello

suponga una disminución de la capacidad del sistema para soportar elevadas cargas

instantáneas.

Instalaciones de sedimentaci#n para el proceso de $angos acti*ados.

Es importante volver a destacar y recordar que el tanque de sedimentación es un

elemento integral del proceso de tratamiento de fangos activados. o se puede

considerar el dise-o de un reactor independientemente del de las instalaciones de

sedimentación asociadas. ara cumplir con las normativas de vertido en cuanto a

sólidos en suspensión y '


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Las condiciones que favorecen el crecimiento de los organismos filamentosos son muy

diversas, y varían para cada planta. El control de los organismos filamentosos se ha

conseguido de diferentes maneras, ya sea por adición de cloro o de peróido de

hidrógeno al fango activado de retorno, por alteración de la concentración de oigeno

disuelto en el tanque de aireación, por alteración de los puntos de alimentación del agua

a tratar para incrementar el valor de la relación 8=&, mediante la adición de nutrientes

básicos +p.e. nitrógeno y fósforo*, adición de nutrientes y factores de crecimiento de

traza o, más recientemente, mediante el uso de selectores.

El control del crecimiento de los organismos filamentosos en procesos de mezcla

completa se ha conseguido mezclando el fango de retorno con el agua residual entrante

en un peque-o tanque de contacto anóico conocido con el nombre de BselectorC I%,#6J.

1 partir de la eperiencia práctica, se ha podido comprobar que el liquido mezcla de los

procesos de fangos activados con flujo en pistón sedimenta mejor que el procedente de

los procesos de mezcla completa, y que tiende a tener menos organismos filamentosos.

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Las lagunas aireadas +a veces denominadas Bestanques aireadosC*, se desarrollaron a

partir de estanques de estabilización facultativos en los que se instalaron aireadores de

superficie para eliminar los olores que se producían al estar sometidas a sobrecargas

orgánicas

8igura, Laguna aireada típica.

Descripci#n del proceso.

El proceso del lagunaje aireado es esencialmente el mismo que el de fangos activados

de aireación prolongada convencional ecepto que se usa como reactor un depósito

ecavado en el terreno. El oígeno necesario en el proceso se suministra mediante

difusores o aireadores superficiales. En una laguna aerobia, la totalidad de los sólidos se

mantienen en suspensión. En el pasado, las lagunas aireadas se operaban como los

sistemas de fangos activados sin recirculación, y solían ir seguidas de grandes

estanques de sedimentación.


'ado que el proceso de lagunaje aireado es, esencialmente, el mismo que el de fangos

activados, la microbiología es tambi!n similar. Eisten algunas diferencias, puesto que la

gran superficie asociada a las lagunas aireadas puede dar lugar a efectos t!rmicos más

se-alados de lo que es normal en el proceso convencional de fangos activados. En los

sistemas de lagunas aireadas es posible llevar a cabo el proceso de nitrificación, tantode forma estacional como en continuo. El grado de nitrificación depende del dise-o y de

las condiciones de funcionamiento del sistema, así como de la temperatura del agua

residual. Keneralmente, cuanto más alta sea la temperatura de !sta y cuanto menores

las cargas +aumento del tiempo de retención del fango*, mayor será el grado de

nitrificación alcanzable.

Reactor discontin"o sec"encial.

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Dn reactor discontinuo secuencial +;


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La purga del fango es otro paso importante en el funcionamiento de los ;


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La digestión aerobia es un m!todo alternativo de tratar los fangos orgánicos producidos

en el curso de las diversas operaciones de tratamiento. Los digestores aerobios se

pueden emplear para el tratamiento de"

• 2nicamente fangos activados o de filtros percoladores

• mezclas de fangos activados o de filtros percoladores con fangos primarios

• fango biológico en eceso de plantas de tratamiento de fangos activados sin

sedimentación primaria.

1ctualmente suelen emplearse dos variantes del proceso de digestión aerobia" el

sistema convencional y el sistema con oigeno puro, aunque tambi!n se ha empleado la

digestión aerobia termófila.


En la digestión aerobia convencional, el fango se airea durante un largo periodo de

tiempo en un tanque abierto, sin calefacción, empleando difusores convencionales oaireadores superficiales. El proceso se puede llevar a cabo de manera continua o

discontinua. En plantas de peque-o tama-o se emplea el sistema discontinuo, en el que

el fango se airea y se mezcla completamente durante un largo periodo de tiempo,

dejándose sedimentar a continuación en el interior de la misma cuba.

III. +ROC!O! AROBIO! D TRATAMINTO D CU2TI3O -I4O.

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Los procesos de tratamiento aerobios de cultivo fijo se emplean, normalmente, para

eliminar la materia orgánica que se encuentra en el agua residual. :ambi!n se pueden

emplear para llevar a cabo el proceso de nitrificación +conversión del nitrógeno

amoniacal en nitrato*. Los procesos de cultivo fijo incluyen los filtros percoladores, los

filtros de pretratamiento o desbaste, los reactores biológicos rotativos de contacto+biodiscos* y los reactores de nitrificación de lecho fijo. 'ado que el proceso de filtros

percoladores es el más com2nmente empleado, será tratado con mayor detalle que el

resto de los procesos. La nitrificación con procesos de película fija se analiza en la

;ección A.##, en la que se estudia la eliminación biológica de nutrientes.

Obeti*o del proceso aerobio de tratamiento de c"lti*o $io.

;u misión, junto con las bacterias aerobias y anaerobias, es la de descomponer la

materia orgánica del agua residual.

El filtro percolador moderno consiste en un lecho formado por un medio sumamente

permeable al que se adhieren los microorganismos y a trav!s del cual percola el agua

residual, fenómeno del que recibe el nombre el proceso. El medio filtrante suele estar

formado por piedras +en ocasiones tambi!n se emplean escorias*, o diferentes

materiales plásticos de relleno.

Características % es)"ema del proceso.

El medio filtrante suele estar formado por piedras +en ocasiones tambi!n se emplean

escorias*, o diferentes materiales plásticos de relleno. En el caso de filtros percoladores

con medio filtrante de piedra, el diámetro de las piedras oscila entre %,5 y #G cm. La

profundidad del lecho varía en cada dise-o particular, pero suele situarse entre G, y %,5

metros, con una profundidad media de #,A metros.

Los filtros de piedra suelen ser circulares, y el agua residual se distribuye por la parte

superior del filtro mediante un distribuidor rotatorio. Los filtros percoladores que emplean

lechos de material plástico pueden tener diversas formas, habi!ndose construido filtros

circulares, cuadrados y de otras formas diversas, con profundidades entre ) y #% metros.

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;e suelen emplear tres tipos de medios filtrantes plásticos" relleno de flujo vertical

8igura A/%(

&ódulo de plástico de flujo vertical típico empleado en filtros percoladores de alta carga.

rocesos biológicos unitarios.

9elleno de flujo transversal y otras distribuciones de rellenos a granel. Los filtros

incluyen un sistema de drenaje inferior para recoger el líquido tratado y los sólidos

biológicos que se haya separado del medio. Este sistema de drenaje inferior es

importante, tanto como instalación de recogida como por su estructura discontinua atrav!s de la cual puede circular el aire.

8iltros percoladores típicos"

8igura A/%% +a* corte de un filtro percolador +de 'orr/0liver*

rocesos biológicos unitarios

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8igura A/%% +b* filtro de medio p!treo convencional


8igura A/%% +c* filtros percoladores de alta carga.


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8igura A/%) 9epresentación esquemática de la sección transversal de una película biológica en

un filtro percolador.


8igura A/%4 'iagramas de flujo típicos de los procesos de filtros percoladores con diferentes

esquemas de recirculación" +a* filtros de una etapa, +b* filtros de dos etapas


I3. +rocesos anaerobios de c"lti*o en s"spensi#n.

El desarrollo de los procesos para fangos y residuos de alto contenido en materia

orgánica, los más comunes para los procesos anaerobios de cultivo en suspensión,

son" los procesos de digestión anaerobia de mezcla completa, el proceso de contacto

anaerobio y el proceso anaerobio de manto de fango de flujo ascendente. En la figura

#.# de los procesos anaerobios de cultivo en suspensión, se reflejan los procesos de

este cultivo.

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8igura #.#, de procesos anaerobios de cultivos en suspensión, sobre reactores

típicos empleados en el tratamiento anaerobio del agua residual.

Digesti#n anaerobia.

La digestión anaerobia es uno de los procesos con mayor antigMedad empleados en

la estabilización de fangos. En este proceso se produce la descomposición de la

materia orgánica e inorgánica en ausencia de oigeno molecular. ;us principales

aplicaciones son la estabilización de fangos concentrados producidos en el

tratamiento del agua residual y de determinados residuos industriales. 1unque los

residuos orgánicos diluidos tambi!n pueden ser tratados en procesos anaerobios.

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En este proceso, la materia orgánica contenida en los lodos primarios y biológicos se

convierte biológicamente, bajo condiciones anaerobias, en gas metano +$3)* y

dióido de carbono +$0%*. Este proceso se desarrolla dentro de un reactor

completamente cerrado, introduci!ndolos en forma intermitente o continua, y

permanecen en su interior durante periodos de tiempo que pueden ser variables. El

fango estabilizado que se etrae de este proceso tiene un bajo contenido de

patógenos y materia orgánica, lo cual no es putrescible.

Los dos tipos de digestores en este proceso son" el de baja carga, no se calienta ni

mezcla el contenido digestor mientras, alta carga, en el cual se calienta y se mezcla

completamente el contenido digestor +8igura #.%, puntos a y b*

La combinación de estos dos procesos se conoce como proceso de doble etapa y su

función principal consiste en la separación de solidos digeridos del líquido

sobrenadante, dando lugar en algunas ocasiones a una digestión adicional y ciertaproducción de gases. +8igura #.%, punto c*.

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8igura #.%, puntos a, b y c sobre digestores típicos" proceso convencional de fase

2nica y de baja carga, roceso de fase 2nica, tanque de mezcla completar y alta

carga y proceso de doble fase.


La conversión biológica de la materia orgánica se produce en tres etapas. El primer

paso del proceso comporta la transformación por vía enzimática, a trav!s de la

hidrolisis, en su compuesto de alto peso molecular en compuestos que pueden servir

como fuente de energía y carbono celular.

El segundo paso, a trav!s de la acidogenesis, implica la conversión bacteriana de los

compuestos producidos en la primera etapa en compuestos intermedios identificables

de menor peso molecular.

El tercer paso, a trav!s de la metanog!nesis, supone la conversión bacteriana de los

compuestos intermedios en productos finales más simples, principalmente metano ydióido de carbono.

'entro del digestor, la conversión de los fangos orgánicos y los residuos se lleva a

cabo mediante una acción conjunta de diferentes organismos anaerobios. Dn grupo

de microorganismos se ocupa de la hidrolizacion de los polímeros orgánicos y de los

lípidos para formar elementos estructurales básicos como los monosacáridos, los

aminoácidos y los compuestos relacionados con estos. Dn segundo grupo de

bacterias anaerobias fermenta los grupos de descomposición para producir ácidos

orgánicos simples, de los que se presenta con una mayor frecuencia en los

digestores orgánicos, es el ácido ac!tico. Este grupo de microorganismos, quereciben el nombre de no metanogenicos, se forma por bacterias facultativas y

anaerobias escritas, aunque de esta forma colectiva se conocen como bacterias

?formadoras de ácidosN.

Dn tercer grupo convierte el hidrogeno y el ácido ac!tico que se origina por las

bacterias formadoras de ácidos, en gas metano y dióido de carbono. Las bacterias

responsables de este proceso se conocen como bacterias metanogenicas o

formadoras de metano. Estos tipos de bacterias son similares a los encontrados en

los organismos de los animales rumiantes y sedimentos orgánicos de lagos y ríos.

Las bacterias más importantes de este grupo son las que se degradan en el ácido

ac!tico y ácido protónico, tienen masas de crecimiento muy lentas, razón por la cual

su metabolismo es considerado un factor importante en el tratamiento anaerobio de

los residuos orgánicos. La estabilización se alcanza cuando se produce metano y

dióido de carbono, siendo así el gas metano, altamente insoluble y su

desprendimiento de la solución representa la estabilización real del residuo.

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8igura #.(, sobre la representación esquemática del flujo del carbono en el proceso

de digestión anaerobia.

En un digestor anaerobio, las dos vías principales de producción de metano +8igura

#.)* son" la conversión de hidrogeno y dióido de carbono en metano y agua +#*, y la

conversión de acetato en metano y dióido de carbono +%*, por medio de las

siguientes ecuaciones"

/51 4 H2 + CO2 -> CH4 + 2 CH2O/61 CH3COOH -> CH4 + CO2

Los organismos metanogenicos y los acidogenicos comparten una relación

sintropica, o sea mutuamente beneficiosa, ya que los metanogenicos convierten en

metano y dióido de carbono los productos finales de fermentación, tales como el

hidrogeno, el formiato o acetato debido a su capacidad de hidrog!nesis. La

utilización del hidrogeno producido por los acidogenicos y otras bacterias anaerobias,

por parte de organismos metanogenicos, se conoce con el nombre de transferencia

de hidrogeno entre especies, eliminando compuestos que pueden inhibir elcrecimiento de los microorganismos acidogenicos.

$on el objetivo de estabilización y mantención del trabamiento anaerobio y el residuo

orgánico, los microorganismos deben mantener un estado de equilibrio manteniendo

el reactor carente de oígeno disuelto y estar libre de concentraciones inhibitorias

constituyentes tales como los metales pesados y los sulfuros. 1demás el medio

acuoso deberá presentar valores de p3 entre los 4,4 y 6,4 eistiendo una alcalinidad

suficiente para que el p3 sistema no descienda de 4,%, ya que este es el límite en

que las bacterias formadoras de metano comienzan su actividad y su temperatura

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deberá estar entre los (G a (G 7$ para el mesofilico y entre los ) y 56 7$ para el

termofilico.

8igura #.), sobre las etapas de digestión anaerobia con flujo de energía.

En el análisis del roceso, las ventajas e inconvenientes del sistema anaerobio de un

residuo orgánico, vienen condicionadas con el lento crecimiento de las bacterias

formadoras de metano. Esto obliga a tiempos de detención más dilatados paraconseguir una adecuada estabilización de residuos, no obstante este bajo

crecimiento implica que eiste una baja sintetizacion del residuo orgánico

biodegradable, en forma de nuevas c!lulas. &ediante la acción de las bacterias

metanogenicas, la mayor parte del residuo orgánico se transforma en metano, gas

combustible, que por ello es un producto final 2til para cualquier proceso que requiera

una generación de energía o calefacción.

Los coeficientes típicos para la digestión anaerobia de substratos se presentan en la

siguiente tabla"

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PREVENCION

DE

RIESGOS

:abla #.#, sobre los coeficientes típicos para la digestión anaerobia de sustratos.

Tipos de resid"os en los )"e se aplica.

La remoción de materia orgánica constituye uno de los objetivos del tratamiento de

aguas residuales. Dtilizándose en la mayoría de los casos procesos biológicos.

El mecanismo más importante para la remoción de materia orgánica presente en el

agua residual, es el metabolismo bacteriano. El metabolismo consiste en la utilización

por parte de las bacterias, de la materia orgánica como fuente de energía y carbono

para la generación de biomasa. $uando la materia orgánica es metabolizada, parte

de ella es transformada químicamente a productos finales, en un proceso que es

acompa-ada por la liberación de energía llamado ?catabolismoN. 0tro proceso

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RIESGOS

8igura %.%, sobre las etapas de la digestión anaerobia +&adigan, #6, Oan

3aandel, #)*.

Obeti*os.

Los objetivos de los tratamientos anaerobios, tal como se eplica anteriormente son"

• La estabilización y reducción de la materia orgánica efluente de los residuos de

las aguas industriales y dom!sticas, eliminando los contaminantes físicos,

químicos y biológicos presentes en ella.

• Eliminación de nutrientes de la materia orgánica como el nitrógeno y el fosforo.

• Keneración de biogás con una parte elevada de metano, la cual puede ser

utilizada como energía en otros procesos del tratamiento y generación de energía

el!ctrica.

• &enos producción de biomasa para posteriores tratamientos y así tener un

menor costo en manejo y purga de lodos.

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DE

RIESGOS

Características % es)"ema del proceso.

En el esquema de los reactores anaerobios para el tratamiento de cultivo en materia

orgánica, su característica principal es que la biomasa se puede encontrar fija o

suspendida en el interior del reactor.

En su clasificación, los reactores se pueden encontrar por lotes, 9$:1 y contacto en

este caso, por el tratamiento de biomasa suspendida.

Los tiempos de degradación de la masa microbacteriana y su tiempo de residencia de

los sólidos, dependen de los distintos sustratos orgánicos contenidos ya que, sugieren

altas y bajas tasas de degradación, consumiendo más rápidamente los compuestos

biodegradables y más lentamente la materia orgánica.

Dsar tecnología anaerobia correspondiente al reactor anaerobio por lotes secuenciales, 1;


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DE

RIESGOS

8igura ).%, sobre esquema del proceso de un reactor de tratamiento anaerobio.

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.igura 4(2! so*re el es-uema

del roceso de un reacto

anaero*io(


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RIESGOS

3. liminaci#n biol#gica de n"trientes.

La eliminación biológica de nutrientes busca como finalidad acabar con el problema de laeutrofización a trav!s de procesos biológicos en su mayoría llevados por bacterias queremueven ciertos nutrientes para la vida de las algas que provocan dicho fenómeno.

2a e"tro$i7aci#n

Es un fenómeno que se ha puesto de manifiesto de forma muy clara en los 2ltimos a-os

en parte de las aguas continentales y costeras de la geografía peninsular y que se

caracteriza por el desarrollo masivo de algas en el agua .

Este fenómeno suele aparecer asociado al vertido de aguas residuales, depuradas o sin

depurar, con un contenido muy elevado de nutrientes +nitrógeno y fósforo,

fundamentalmente*, si bien eisten fuentes de contaminación por nitrógeno y fósforo

distintas de los vertidos. Entre ellas la fuente más importante, en cuanto a nitrógeno se

refiere, es la contaminación debida a los fertilizantes nitrogenados usados en la

agricultura. Este tipo de contaminación afecta especialmente a las aguas subterráneas,

que reciben el agua de riego infiltrada, así como a las masas de agua conectadas conellas" ríos, costas, lagos, etc. En cuanto a la contaminación por fósforo debida a los

fertilizantes agrícolas cabe citar que actualmente no es importante en Espa-a, ya que al

no estar la mayor parte de los suelos de la península saturados de fosfatos este

elemento es retenido por adsorción en la zona más superficial de los mismos.

ara la eliminación de nitrógeno y fósforo de las aguas residuales se utilizan m!todos

biológicos y físico / químicos, siendo los primeros más utilizados en la eliminación de

nitrógeno y los segundos en la de fósforo. 1ctualmente eiste una tendencia creciente al

uso de m!todos biológicos para la eliminación de fósforo, integrando en un solo proceso

la eliminación de nitrógeno, fósforo y materia orgánica. Esto es debido

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DE

RIESGOS

fundamentalmente a los menores costes de operación asociados a este tipo de

procesos, ya que no requieren la adición de ning2n reactivo químico y a la menor

cantidad de fangos generados al reducirse los costes derivados de su tratamiento y

evacuación.

2os n"trientes

Este t!rmino engloba a ciertas especies químicas de los elementos que aparecen en

:abla P caracterizadas por ser fundamentales para el desarrollo de la vida. En función de

la cantidad en la que entran a formar parte de la composición de la materia celular

pueden ser clasificadas en macronutrientes y micronutrientes. ;e entiende por

micronutrientes aquellos compuestos que son necesarios en cantidades traza para laformación de tejido celular y macronutrientes los que se utilizan en mayor proporción

La ausencia de cualquiera de estos nutrientes provoca una inhibición en el crecimiento

celular y, por tanto, una disminución de la etensión del proceso de eutrofización. 'e ahí

que actualmente el principal m!todo para evitar la eutrofización de un medio susceptible

a este problema sea la eliminación de los nutrientes que llegan a !ste. Las aguas

residuales insuficientemente tratadas constituyen una importante fracción del aporte de

nutrientes a un medio acuático.

Pntentar suprimir el crecimiento celular mediante la eliminación de alg2n micronutriente

de los contenidos en un agua residual no es un m!todo factible, debido a que la cantidad

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DE

RIESGOS

en la que estos compuestos son necesarios para el crecimiento de los organismos es

muy peque-a.

or tanto, es conveniente la eliminación de macronutrientes. 1 pesar de que la supresión

de los compuestos de $ parecería la más conveniente por ser !stos los que se

necesitan en mayor proporción, su eliminación no influye en el proceso de la

eutrofización, al tomar las algas este elemento del $0% atmosf!rico o incluso de laalcalinidad del agua +bicarbonatos*.

Los compuestos de y son los que presentan las mejores características para ser

eliminados, ya que son requeridos en grandes proporciones en la formación del tejido

celular de las algas +compuesto por un (/#GQ de y un G.5/#Q de * +R$8, #A(* y

eisten procesos de eliminación de estos compuestos con una metodología de

tratamiento bien establecida.

+roceso de eliminaci#n biol#gica de n"trientes

Los tratamientos biológicos de aguas residuales se basan en el aprovechamiento de los

comportamientos metabólicos de determinados microorganismos.

1 continuación, se describen los procesos más importantes en los cuales se ven

involucrados.

liminaci#n de nitr#geno

ara que se produzca este fenómeno es necesaria la conjunción de dos procesos" nitrificación y

desnitrificación. 1mbos procesos pueden esquematizarse mediante las ecuaciones indicadas en

la figura #. El proceso de nitrificación se lleva a cabo en dos etapas" la primera es la

transformación del amonio en nitrito, que es llevada a cabo por bacterias del g!nero

itrosomonas y la segunda consiste en la transformación de !ste en nitratos y se realiza por laacción de bacterias del g!nero itrobacter +Kee y col, #G*.

'ada la baja tasa de crecimiento de estos microorganismos, este proceso está favorecido por

altas temperaturas y elevados tiempos de retención celular.

La desnitrificación consiste en la eliminación del nitrógeno nítrico formado en la nitrificación

mediante un proceso de reducción bacteriana. 1 las bacterias capaces de utilizar nitratos como

aceptores de electrones en el procesado metabólico de la materia orgánica se las denomina

heterótrofas desnitrificantes. En muchos casos suelen ser bacterias heterótrofas facultativas, que

utilizan generalmente oígeno como aceptor de electrones y que en ausencia de !ste pueden

utilizar nitratos.

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RIESGOS

'ado que este proceso es más complejo que el de eliminación de nitrógeno, se ha considerado

adecuado abordar una descripción más detallada del mismo, mediante la inclusión de las

principales rutas metabólicas en las que está basado. Las bacterias del g!nero 1cinetobacter

constituyen el grupo de microorganismos más importante en este proceso. Estas bacterias en

condiciones anaerobias no son capaces de degradar la materia orgánica pero tienen la

capacidad de tomar la fracción que está en forma de ácidos grasos volátiles +1KO* en su medio

etracelular y almacenarla en el medio intracelular en forma de polihidroialcanoatos+generalmente polihidroibutiratos y polihidroivaleriatos*. En la figura ) se muestra la ruta

bioquímica en la que está basada la formación y destrucción del polihidroibutirato +3


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RIESGOS

de los ciclos de los ácidos tricarboílicos +:$1* y del ciclo del glioilato, mostrados ambos en lasfiguras 5 y 4.

8igura 5.

$iclo ácidos tricarboílicos

8igura 4.

$iclo del glioilato

En la figura 6 se muestra la ruta bioquímica global del proceso. Los ácidos grasos volátiles seobtienen por la degradación anaerobia del sustrato orgánico complejo por parte demicroorganismos acido g!nicos. En condiciones aerobias +e incluso en condiciones de anoia*,las bacterias acumuladoras consumen con un aceptor de electrones +oígeno o nitratos* lamateria orgánica almacenada +Serrn/Tespersen, #(*, obteniendo así energía, parte de la cualalmacenan en forma de polifosfatos +ruta metabólica de la figura 5*. La cantidad de polifosfatosque se forman y acumulan en la etapa aerobia es superior a la de polifosfatos degradados en laetapa anaerobia, observándose una reducción neta del fósforo contenido en el agua residual.

4/


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DE

RIESGOS

Este proceso se ve favorecido en aguas con elevado contenido en 1KO, así como por edades defango bajas.

8igura 6.

9uta bioquímica global del proceso

Eliminación de y por crecimiento celular

1sociada a la formación de tejido celular en el crecimiento microbiano, hay una eliminaciónparcial de los compuestos de nitrógeno y fósforo presentes en el agua residual. ara un aguaresidual urbana típica esta eliminación está en el intervalo del #G al (GQ en cuanto a y del #Gal %5Q en cuanto a . 'ebido a este proceso todos los tratamientos biológicos, aunque no est!n

especialmente dise-ados para ello, eliminan una cierta cantidad de nutrientes.

Los rendimientos obtenidos en esta eliminación serán tanto mayores cuanto más favorecido est!el crecimiento microbiano, ya que como media el %Q del peso de los microorganismos es fósforoy el #%Q nitrógeno. or tanto, la eliminación se verá favorecida para edades de fango bajas ytemperaturas elevadas.

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DE

RIESGOS

3I. !istemas de tratamientos nat"rales.

0bjetivo de los m!todos de tratamiento natural de aguas residuales

El objetivo principal de los tratamientos naturales de aguas residuales, es descontaminar

de forma natural las aguas residuales altamente contaminadas por la presencia

antropog!nica del hombre, con el fin de reutilizarlas abaratando costos de tratamientos

ya que no se necesita gasto de energía.

Oentajas en comparación con sistemas convencionales

o Escasa necesidad de personal de mantenimiento

o $onsumo energ!tico reducido

o


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DE

RIESGOS

Los m!todos de tratamiento mediante aplicación en el terreno y los sistemas acuáticos.

En todos ellos, el efecto depurador se debe a la acción de la vegetación, suelo,

microorganismos +terrestres y acuáticos* y en menor medida, a la acción de animales

superiores, sin la intervención de agentes artificiales

:ratamiento en el terreno

• Pnfiltración lenta

El tratamiento mediante infiltración lenta, consiste básicamente en la aplicación

de un caudal controlado de agua residual sobre una superficie de terreno con

cubierta vegetal cultivada. 3abitualmente, los sistemas ;9 se operan en ciclos

de aplicación semanales, durante la temporada de crecimiento del cultivo Las

cargas hidráulicas de agua residual aplicadas anualmente sobre la superficie

activa de tratamiento varían entre G.5 y 4 m(=m%. En climas fríos puede ser

necesario el almacenamiento temporal

• Pnfiltración rápida

conocido en la literatura inglesa como 9P +rapid infiltration*, se define como la

aplicación controlada de agua residual sobre balsas superficiales construidas en

suelos de permeabilidad media a alta. Keneralmente, la aplicación se realiza de

forma cíclica, para permitir la regeneración aerobia de la zona de infiltración y

mantener la máima capacidad de tratamiento. El agua residual requiere, al

menos, tratamiento primario previo a la aplicación, siendo las cargas hidráulicas

anuales normales de 4 a #GG m(=mz. o es necesario que las balsas de

infiltración est!n cultivadas, pero eigen mantenimiento periódico de la superficie.

La evolución del efluente en el suelo y subsuelo es similar a la de los sistemas ;9

o obstante, por tratarse caudales muy superiores, el suelo y formaciones

infrayacentes han de tener mejores características hidráulicas

• 8lujo superficial

08 +overland floU*, es adecuado para zonas con suelos relativamente

impermeables. $onsiste en forzar la escorrentía del agua residual sobre un suelo

previamente acondicionado +en pendiente y vegetación*, para ser posteriormente

recogida mediante diques artificiales. Las aplicaciones de agua residual suelen

realizarse en ciclos de horas, durante 5 a 6 días a la semana, tras un escaso

pretratamiento consistente en la separación de las fracciones sólidas de mayor

tama-o. El grado de tratamiento alcanzable es equivalente a uno secundario,

generalmente con buena reducción de nitrógeno y un peor rendimiento en fosforo

El rasgo com2n a todos ellos es la depuración conseguida a trav!s de los procesos

físicos, químicos y biológicos naturales, desarrollados en un sistema de planta, suelo,

agua y matriz rocosa. El avance en el conocimiento de los mecanismos de dichos

procesos ha permitido desarrollar criterios de dise-o y operación

;istemas acuáticos

• 3umedales

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DE

RIESGOS

;on sistemas en los que el agua fluye continuamente, cuya superficie libre

permanece al nivel del suelo, o por encima del mismo, manteni!ndolo en estado

de saturación durante un largo período del a-o. Eisten humedales de tratamiento

creados a partir de zonas h2medas naturales, y humedales construidos

artificialmente. Los humedales de origen natural forman parte del sistema de

escorrentía superficial de la zona, por lo que en caso de ser utilizados para la

depuración de aguas residuales, han de observarse las normas limitativas

respecto a la calidad del agua vertidaLos humedales construidos forman parte del sistema de depuración proyectado.

;uelen tener un fondo o base impermeable sobre la que se deposita un lecho de

gravas, suelo u otro medio para el desarrollo de las plantas, que constituyen el

principal agente depurador.

Eisten dos tipos de humedales construidos, dependiendo de la situación del nivel

de agua" el denominado de superficie libre de agua +en la literatura anglosajona,

fiee Uater susace, 8R;*, en el que el agua está en contacto con la atmósfera y

constituye la fuente principal del oígeno para aireación y el denominado de flujosubsuperficial +vegetated submerged beds, O;


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DE

RIESGOS

agua constituye un objetivo secundario del proyecto. Las plantas más

com2nmente cultivadas son los jacintos de agua, eistiendo amplia

documentación sobre estos cultivos. El clima es un factor limitativo de su

rendimiento, ya que las plantas sólo crecen a determinadas temperaturas. Estos

sistemas de cultivo acuático suelen utilizarse como afino incorporados a otra

cadena de procesos, empleándose generalmente como tratamiento terciario

Estos 2ltimos se han desarrollado como una variante del lagunaje convencional,

aprovechando la captación de nutrientes por las plantas, lo que mejora los rendimientos

de las lagunas de estabilización. Estos m!todos acuáticos, en general, se proyectan

para un flujo continuo con descarga a ríos o lagos próimos. ;u sistema de operación

puede ser estacional o anual, en función del clima o de los objetivos de tratamiento,

:ipo de residuo a realizar tratamiento natural

• orgánico

•


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DE

RIESGOS

En ellos encontramos la absorción, la oidación t!rmica, química o catalítica, la

centrifugación que eliminan partículas y=o aerosoles, la filtración y electrofiltración.

Dna de las ventajas más importantes de los tratamientos biológicos para el aire sobre los

procesos fisicoquímicos es que pueden llevarse a cabo a temperaturas del medio

ambiente +#G/)G7$* y a presiones atmosf!ricas. En general, las ventajas de los procesos

biotecnológicos son que transforman los contaminantes a sustancias no peligrosas sinacumulación de subproductos o desechos de difícil manejo, tienen costos de operación

bajos, debido principalmente a las condiciones suaves de operación +:, , p3, etc.*

además de poseer un balance energ!tico adecuado.

ara el tratamiento biológico de gases eisten básicamente tres procesos de

tratamiento, es decir, la biofiltración, los biolavadores y los biofiltros percoladores.

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