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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
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicosMicrobiología de las aguas residuales
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 biológicos
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’
Fundamentos biológicosFundamentos biológicosCrecimiento bacteriano. Parámetros cinéticos
Descomposición endógena
rd (Velocidad de descomposición endógena) = - kd·X
Fundamentos biológicosFundamentos biológicosCrecimiento bacteriano. Parámetros cinéticos
Consumo de sustrato
Fundamentos biológicosFundamentos biológicosCrecimiento bacteriano. Parámetros cinéticos
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicosCrecimiento bacteriano. Parámetros cinéticos
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
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
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
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
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
Concepto de DBO
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
Concepto de DBO
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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)
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
S remanente (DBO) y DBO (ejercida)
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
DBO5
S0DBO4
DBO (S)
Tiempo (días)5
DBO5
S0 - S5
S5
DBOS consumido
S remanente
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
Ecuaciones cinEcuaciones cinééticas. DBO infinita y ticas. DBO infinita y DBODBOtt
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
Concepto de carga contaminante y habitanteConcepto de carga contaminante y habitante--equivalenteequivalente
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
Influencia de la temperatura en la DBOInfluencia de la temperatura en la DBO
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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 ↑
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
Medida de la DBOMedida de la DBO5
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
Medida de la DBOMedida de la DBO
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
Medida de la DBOMedida de la DBO
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
Oxidación del nitrógeno. DBO nitrogenada
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
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
Fundamentos biológicosFundamentos biológicos
DBO5
S0
DBO
Tiempo (días)5
DBOCarbonosaDBOCarbonosaDBOCarbonosaDBOCarbonosaDBOCarbonosa
DBONitrogenada
DBO carbonosa y DBO nitrogenada
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno
■ 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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