FIGURA 5.1
Secuencia de procesos en la degradación anaeróbica de la materia orgánica
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Lagunas anaerobias
INTRODUCCIÓN
Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente como primera fase en el tratamiento
de aguas residuales urbanas o industriales con alto contenido en materia orgánica
biodegradable. El objetivo primordial de estas lagunas es la reducción de contenido
en sólidos y materia orgánica del agua residual, y no la obtención
de un efluente de alta calidad. Por esta razón, las lagunas anaerobias operan
en serie con lagunas facultativas y de maduración. Generalmente se utiliza un
sistema compuesto por al menos una laguna de cada tipo en serie, para asegurar que
el efluente final de la planta depuradora va a poseer una calidad adecuada durante
todo el año.
FUNDAMENTOS DE LA DEPURACIÓN EN LAGUNAS ANAEROBIAS
Como su nombre indica, en las lagunas anaerobias se produce la degradación de
la materia orgánica en ausencia de oxígeno. En estas condiciones, la estabilización
tiene lugar mediante las etapas siguientes (Middlebrooks y col., 1982):
- Hidrólisis. Este término indica la conversión de compuestos
orgánicos complejos e insolubles en otros compuestos más sencillos y solubles
en agua. Esta etapa es fundamental para suministrar los compuestos orgánicos
necesarios para la estabilización anaerobia en forma que puedan ser utilizados
por las bacterias responsables de las dos etapas siguientes.
- Formación de ácidos. Los compuestos orgánicos sencillos generados
en la etapa anterior son utilizados por las bacterias generadoras de ácidos.
Como resultado se produce su conversión en ácidos orgánicos volátiles,
fundamentalmente en ácidos acético, propiónico y butírico. Esta
etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas. Hay una gran variedad
de bacterias capaces de efectuar la etapa de formación de ácidos, y además
esta conversión ocurre con gran rapidez. Dado que estos productos del metabolismo
de las bacterias formadoras de ácido o acidogénicas están muy poco
estabilizados en relación con los productos de partida, la reducción de
DBO5 o DQO en esta etapa es pequeña.
- Formación de metano. En la figura 5.1. se recoge una representación
secuencial de la digestión anaerobia de compuestos orgánicos. Una vez que
se han formado estos ácidos orgánicos, una nueva categoría de bacterias
entra en acción, y los utiliza para convertirlos finalmente en metano y dióxido
de carbono. El metano es un gas combustible e inodoro, y el dióxido de carbono
es un gas estable, que forma parte en poca cantidad de la composición normal
de la atmósfera.
La liberación de estos gases es responsable de la aparición de burbujas,
que son un síntoma de buen funcionamiento en las lagunas anaerobias. Esta fase
de la depuración anaerobia es fundamental para conseguir la eliminación
de materia orgánica, ya que los productos finales no contribuyen a la DBO5 o DQO del medio.
A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocos microorganismos
capaces de desarrollar la actividad metanogénica, su metabolismo es más
lento y además, son mucho más sensibles a distintas condiciones ambientales
que veremos a continuación (Brock, 1978).
FIGURA 5.1
Secuencia de procesos en la degradación anaeróbica de la materia orgánica
Las bacterias metanígenas son anaerobias estrictas, es decir, mueren en presencia
de oxigeno disuelto. Por otra parte, estas bacterias son también muy sensibles
al pH. Puesto que en la segunda fase de la digestión anaerobia se están
produciendo ácidos, si no existe en el medio un número adecuado de bacterias
metanígenas que transformen estos productos, y se produce su acumulación,
el pH disminuye. Se estima que para valores de pH inferiores a 6,8 la actividad metanígena
comienza a presentar problemas, y que por debajo de pH=6,2 se detiene completamente
(Middlebrooks y col., 1982). Cuando esto ocurre se liberan no sólo ácidos
orgánicos que pueden tener olores desagradables, sino otros compuestos como
ácido sulfhídrico (SH2), mercaptanos o escatol, que
son los responsables principales de los olores que indican funcionamientos deficientes
en las lagunas anaerobias.
CONDICIONES OPERATIVAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS
Teniendo en cuenta la secuencia de etapas por las que tiene lugar la digestión
anaerobia, es necesario ajustar las condiciones operativas de las lagunas para que
se produzca la estabilización de la materia orgánica hasta los productos
finales metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2).
En primer lugar, si las balsas operan con tiempos de retención muy pequeños,
sólo las fases hidrolítica y acidogénica tienen tiempo de desarrollarse,
pero no la de formación de metano, que es más lenta, y por tanto, se producirán
olores y se obtendrá una eliminación muy baja de la materia orgánica.
Por otra parte, si la carga es escasa y el tiempo de retención elevado, comienzan
a desarrollarse algas en superficie, y el oxigeno producido da lugar a la muerte
de las bacterias metanígenas, también con el resultado de desarrollo de
olores desagradables. Por tanto, las lagunas anaerobias requieren un mantenimiento
adecuado para preservar en todo momento el equilibrio entre las fases responsables
de la depuración.
Otro factor que influye en el comportamiento de las lagunas anaerobias es la temperatura.
Las bacterias metanígenas crecen mejor cuanto mayor es la temperatura, con un intervalo
óptimo de crecimiento entre 30-35º C. Por tanto, las lagunas anaerobias
presentan una actividad muy superior durante el verano, lo que puede comprobarse
fácilmente observando la cantidad de burbujas que aparecen en superficie en
las distintas épocas del año. En la tabla 5.1 aparecen los intervalos óptimos
y extremos para la fermentación anaerobia de materia orgánica.
TABLA 5.1*
Intervalos óptimo y extremo de temperatura, pH y potencial redox en lagunas
anaeróbica
* Referencia. Middlebrooks y cols., 1982.
El potencial redox mide la tendencia de las especies químicas a oxidarse o reducirse,
es decir, dar o aceptar electrones. Los potenciales redox que pueden presentarse
en la naturaleza van desde un mínimo de -0,42 voltios hasta un máximo de
+0,82 voltios. El límite inferior corresponde a un ambiente muy reductor, rico
en hidrógeno gas, y por tanto, apropiado para el crecimiento de microorganismos
anaerobios estrictos, como son las bacterias metanígenas. El límite máximo
se produce en ambientes muy oxigenados, y por tanto, oxidantes.
A medida que aumenta el potencial redox del medio, los microorganismos capaces de
desarrollarse pasan de ser anaerobios estrictos a anaerobios aerotolerantes, es decir,
que resisten la presencia de oxígeno, si bien crecen mejor en su ausencia. Cuando
una laguna anaerobia presenta muy poca carga, y se favorece el desarrollo de algas
en superficie, aumenta el potencial redox, lo que puede producir la muerte de las
bacterias metanígenas, que como puede observarse en la tabla 5.1 presentan tolerancias
muy estrechas para los niveles de esta variable (Brock, 1978).
A pesar de que los márgenes de tolerancia que hemos visto son estrechos, las
lagunas anaerobias no son difíciles de operar siempre que se respeten los intervalos
de carga o tiempo de residencia fijados por el proyectista.
Entre los mecanismos que ayudan a mantener el ambiente anaerobio necesario para el
buen funcionamiento de estas balsas destacan los siguientes:
1. La abundante carga orgánica, presente en esta primera fase del tratamiento,
da lugar a que el posible oxígeno introducido en las lagunas con el influente
o por reaireación superficial se consuma rápidamente en la zona inmediatamente
adyacente a la entrada o a la superficie.
2. En las lagunas anaerobias se produce la reducción de los sulfatos, que entran
con el agua residual, a sulfuros. La presencia de sulfuros en el medio disminuye
la posibilidad de crecimiento de las algas en dos formas (Dinges, 1982):
a) La penetración de la luz necesaria para el crecimiento de las algas
se ve impedida por la presencia de sulfuros metálicos en suspensión, como
el sulfuro de hierro, responsables de la tonalidad gris de las lagunas anaerobias.
Estos sulfuros acaban precipitando en el fondo de las lagunas, y provocan la coloración
gris oscura o negra que presentan los fangos.
b) Los sulfuros solubles son tóxicos para las algas, de modo que los
cortos períodos de residencia, la falta de iluminación y un ambiente de
composición química hostil impiden el crecimiento de éstas y en consecuencia,
mantienen el medio en condiciones anaerobias.
3. Puesto que las lagunas carecen de agitación, el aporte de oxigeno atmosférico
es despreciable, debido a que la difusión de este gas en la columna de agua
es muy lenta (Bowie y col., 1985).
Además de las bacterias responsables de las etapas acidogénica y metanogénica
de la degradación anaerobia, en ocasiones se desarrollan en estas lagunas otras
bacterias que confieren una coloración rojiza. Se trata de bacterias fotosintéticas
del azufre, que viven en la zona superficial y oxidan los sulfuros a azufre elemental.
Los pigmentos que poseen estas bacterias le dan a las lagunas una coloración
rosa o roja.
La presencia de estas bacterias es indicativa de carga insuficiente en las lagunas
anaerobias, y conviene tomar las mismas medidas discutidas anteriormente para impedir
la aparición de algas en superficie. En algunos casos la presencia de estas
bacterias puede resultar beneficiosa, ya que al oxidar a los sulfuros evitan la aparición
de olores relacionados con la liberación de ácido sulfhídrico. Sin
embargo, la carga orgánica apenas se modifica por la acción de estas bacterias,
y las lagunas rojas presentan típicamente unas concentraciones muy elevadas
de carga orgánica a la salida (Brock, 1978; Kobayashi y col., 1983; Dinges,
1982).
MORFOLOGÍA DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS
Las lagunas anaerobias se construyen de acuerdo con una de las dos concepciones básicas
siguientes (Middlebrooks y col., 1982):
a) Lagunas de gran tamaño, poca profundidad y tiempos de residencia del
agua residual medios. Este tipo de diseño se utiliza en Australia.
b) Lagunas pequeñas, profundidad media a alta y tiempos cortos de residencia.
Este diseño es el normal en la mayoría de los países, incluyendo a
España, especialmente como primera fase de la depuración, bien por lagunaje
o utilizando algún otro método de tratamiento.
Los factores que hay que tener en cuenta al proyectar una laguna anaerobia son fundamentalmente
los aspectos de conservación del calor, sedimentación de materia en suspensión
y almacenamiento de fangos. Considerando los mecanismos responsables de la degradación
anaerobia y las variables ambientales que influyen sobre ellos, la morfología
más apropiada es la descrita en el punto b. A continuación expondremos
algunas de las característica de las lagunas anaerobias y su efecto sobre el
proceso global de depuración.
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