Tratamiento Biológico de Residuos

Técnicas de Tratamiento Biológico

1. Bioventing

Técnica in situ de recuperación biológica que implica la inyección a través de pozos de aire (u oxígeno) y, si es necesario, nutrientes para estimular la actividad microbiana biodegradadora. Este tratamiento utiliza los microorganismos indígenas para biodegradar compuestos orgánicos adsorbidos en los suelos de la zona no saturada, al contrario que el proceso de biosparging que realiza lo mismo pero en la zona saturada. El bioventing es parecido a la extracción de vapor del suelo pero, a diferencia de este último, trata de potenciar la biodegradación y minimizar la volatilización de los contaminantes. Cualquier sustancia biodegradable aeróbicamente es susceptible de ser tratada con bioventing. Los dos factores que controlan el funcionamiento de este sistema son la permeabilidad del suelo, que facilita el transporte de oxígeno, y la biodegradabilidad del compuesto orgánico, que determina la velocidad y grado de la degradación.

2. Compostaje

Proceso bioxidativo controlado, en el que intervienen numerosos y variados microorganismos, que requiere una humedad adecuada y sustratos orgánicos heterogéneos en estado sólido. Implica el paso por una etapa termófila, dando al final como productos de los procesos de degradación: agua, dióxido de carbono y una materia orgánica estabilizada libre de sustancias fitotóxicas y dispuesta para ser aplicada en agricultura sin que provoque fenómenos adversos.

3. Biorrecuperación Asistida

La biodegradación es el proceso por el cual microorganismos indígenas o inoculados (bacterias y hongos) metabolizan los contaminantes orgánicos que se encuentran en suelos y/o el agua subterránea, convirtiéndolos en productos finales inocuos. En este proceso, los contaminantes orgánicos son biotransformados porque generalmente los microorganismos pueden utilizarlos para su propio crecimiento como fuente de carbono y energía y, en el caso de que no sean capaces de crecer a partir de ellos, pueden seguir transformándolos si se les aporta un sustrato de crecimiento alternativo o cosustrato. Para el crecimiento de los microorganismos es necesaria la presencia de donadores y aceptores de electrones, una fuente de carbono y nutrientes (N, P, K, S, Mg, Ca, Mn, Fe, Zn, Cu y elementos traza). El proceso más básico del metabolismo microbiano es la transferencia de electrones desde un sustrato donante hasta un sustrato aceptor. Los electrones son necesarios para oxidar (o reducir) los compuestos orgánicos, que son la fuente de carbono, a la forma química utilizada por los constituyentes celulares y para generar la energía necesaria que posibilite la síntesis y el mantenimiento de la biomasa.

4. Barrera Permeable Activa

Esta novedosa técnica, desarrollada en la última década, se basa en la instalación in situ de una pantalla perpendicular al flujo de la pluma de contaminación a través de la cual pasa el agua subterránea contaminada y cuyo material de relleno puede adsorber, precipitar o degradar biótica o abióticamente los contaminantes. Las barreras que con más éxito se han aplicado hasta el momento son las rellenadas con elementos metálicos de valencia cero como el hierro para la degradación abiótica mediante procesos de oxidación-reducción de disolventes clorados como el tricloroetano o tetracloroetano, metales traza y radioactivos y contaminantes inorgánicos como nitratos y sulfatos. Otras barreras favorecen la actividad de los microorganismos del suelo para biodegradar compuestos orgánicos tóxicos, empleando mezclas de nutrientes y sustratos, en ocasiones combinadas con barreras hidráulicas que dirijan el flujo. La adsorción de contaminantes se puede conseguir utilizando barreras de carbón activo o arcillas y también se ha observado la precipitación de contaminantes inorgánicos como el P en medios eutrofizados y Pb utilizando pantallas de calcita. Al ser una técnica de recuperación en vías de desarrollo, se requieren estudios que controlen a lo largo de un periodo de tiempo significativo la duración útil de estas pantallas y sus necesidades de mantenimiento.

5. Tratamiento en Fase de Lechada

Tratamiento de biodegradación en el que el suelo contaminado es excavado, tamizado para eliminar los elementos gruesos y mezclado con agua y otros aditivos en un biorreactor controlado. La mezcla del lodo resultante mantiene a los sólidos en suspensión y a los microorganismos biodegradadores en contacto con los contaminantes. En estos biorreactores se controlan parámetros que pueden limitar el crecimiento microbiano en la naturaleza como la disponibilidad de sustratos, nutrientes y oxígeno, la temperatura, el pH y la humedad. Asimismo, el proceso de mezcla facilita la homogeneidad del material contaminado para evitar la concentración de los contaminantes en bolsadas. Además de procesos de biodegradación, también pueden actuar mecanismos de adsorción/desorción, disolución/precipitación, intercambio iónico, complejación, transferencia de oxígeno, volatilización y reducción del tamaño de partícula. Las tasas de biodegradación dentro de estos biorreactores son rápidas, a veces de menos de un mes. Se suelen añadir oxígeno y nutrientes, así como ácidos o álcalis para controlar el pH y microorganismos no indígenas si la población autóctona no es suficientemente activa. Cuando termina el proceso, el lodo es desecado mediante filtros, lechos secantes o centrífugas y el suelo tratado es eliminado.

Procedimientos Biológicos de Tratamiento y Eliminación de Residuos

Consisten en la degradación de residuos, fundamentalmente orgánicos, por la acción de microorganismos.

• Degradación Parcial: Biotransformación; Biodegradación, Biometanización…
• Degradación Total: Mineralización (a CO₂, H₂O, residuos inorgánicos, …).

Factores Microbiológicos y Ambientales

1. Población Microbiana

El tratamiento biológico implica una compleja interacción entre la mezcla de sus poblaciones microbianas. La velocidad de crecimiento y la utilización de sustratos es, con frecuencia, superior en cultivos mixtos enriquecidos que en un cultivo puro aislado de la mezcla. En una mezcla de poblaciones microbianas no sólo son importantes aquellos organismos que pueden iniciar procesos catabólicos, sino también los consumidores secundarios (es decir, los organismos que utilizan los compuestos intermedios procedentes de la transformación del sustrato original). También los consumidores secundarios pueden contribuir al crecimiento de los primarios (por ejemplo, suministrando un factor de crecimiento específico, eliminando productos tóxicos, mediante procesos metabólicos concertados [co-metabolismo], así como por transferencia de material genético entre cepas). En algunos casos, los productores primarios son totalmente dependientes de los secundarios para su crecimiento. Para la transformación y mineralización de la mayoría de los compuestos orgánicos se necesita la actuación en cadena de un conjunto de bacterias, donde cada especie desempeña un eslabón vital.

2. Inhibición y Toxicidad

La mayoría de los residuos orgánicos e inorgánicos presentan un efecto progresivo al incrementarse la concentración (similar a la relación dosis-efecto). Una sustancia orgánica que es biodegradable a una determinada concentración se puede volver persistente a concentraciones más elevadas porque inhibe el crecimiento del cultivo microbiano. A concentraciones incluso más altas, la sustancia puede ser tóxica para el cultivo. Estos efectos derivan, presumiblemente, del grado de saturación del sistema enzimático que normalmente la degrada. La mayoría de los nutrientes inorgánicos que se necesitan para la síntesis del material celular son tóxicos para estos mismos organismos a concentraciones más altas.

3. Biodegradabilidad del Sustrato

Las experiencias e investigaciones muestran que la mayoría de las sustancias orgánicas sintéticas son biodegradables, haciendo del tratamiento biológico una alternativa técnicamente viable. Sin embargo, la literatura está llena de casos donde compuestos concretos han resistido la degradación (a estos compuestos se les denomina recalcitrantes o refractarios) o su degradación se produce tan lentamente como para hacer ineficaz el tratamiento biológico (compuestos persistentes). Incluso con compuestos recalcitrantes, las continuas investigaciones han tenido con frecuencia éxito en identificar algún tipo de microorganismo o grupo de microorganismos capaces de degradarlos. Sin embargo, existen compuestos que han sido sujeto de numerosas investigaciones y que todavía permanecen clasificados como recalcitrantes o persistentes. Los ejemplos incluyen las TCDD (dioxinas) y los PCB.

1. Halogenación.
2. Elevado número de halógenos.
3. Gran cantidad de ramificaciones.
4. Baja solubilidad en agua.

4. Humedad

La biodegradación necesita humedad por dos razones:

1. Para el desarrollo celular, ya que el 75-80 % de su masa es agua.
2. En las especies inmóviles, como medio para desplazarse los microorganismos hacia el sustrato, o viceversa. Como medio de contacto entre la microbiota y los residuos. Soporte vital para el desarrollo celular microbiano. Debe estar, en todo caso por encima del 25-30% (a este nivel se ralentizan los procesos).

5. Presencia de Sólidos

La concentración de sólidos disueltos puede afectar al tratamiento biológico en medio líquido de degradación de residuos. Si la concentración (medida como los Sólidos Disueltos Totales, SDT) es muy alta, los microorganismos mueren por ruptura osmótica de su membrana celular. Si la concentración tiene grandes variaciones, la actividad de la población microbiana disminuye.

6. Acidez/Basicidad (pH)

La actividad enzimática depende del pH. La cantidad de una determinada enzima en estado catalíticamente activo varía en función de éste, coincidiendo la máxima cantidad con el óptimo de pH. El crecimiento bacteriano, en consecuencia, también depende del pH. La mayoría de los procesos biológicos de degradación de residuos se pueden llevar a cabo entre unos valores de 4,5 y 9,5. No obstante el óptimo de eficacia suele estar entre 6 y 8, cerca de la neutralidad. Hay que tener en cuenta que el desarrollo del proceso suele alterar el valor de pH del medio (por formación de ácidos orgánicos; nitrificaciones/desnitrificaciones; paso de N orgánico a N amoniacal u otras formas; disolución del CO₂ formado, pasando a carbonatos o bicarbonatos; etc.).

7. Nutrientes

Aparte del Carbono (sustrato principal para la formación de masa celular y obtención de energía) son necesarios otros elementos para la construcción de la masa celular y soporte vital de la microbiota. Así los macronutrientes (Nitrógeno y Fósforo) se necesitan en forma proporcional al Carbono consumido, aprox: 20/5/1 en peso de C/N/P, respectivamente. Si no están en los residuos, se añaden amonio y ortofosfato. El cálculo es sólo aproximado pues se basa en la proporción de éstos en la materia celular y existe una gran parte de C que se consume para producir CO₂ o CH₄.

• Micronutrientes: Son elementos implicados en el metabolismo celular, que deben estar presentes en concentraciones variables, entre 1 y 100 mg/l. Son principalmente, S, K, Ca, Fe, Mg, …
• Oligoelementos (o nutrientes traza): Elementos que deben estar presentes en concentraciones menores a 1 mg/l, pero cuya total ausencia puede causar graves disfunciones en los procesos. Pertenecen a este grupo las vitaminas, Ni, Cu, Zn, …

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