Prefacio:
Quienes han trabajado en la puesta en marcha de sistemas bioquímicos pueden haber encontrado este problema: una caída del pH en tanques anaeróbicos y aeróbicos. Está claro que esta caída del pH se debe principalmente a la calidad del agua cruda. Ciertas sustancias en el agua cruda producen sustancias ácidas o consumen alcalinidad durante reacciones anaeróbicas (como la hidrólisis y la acidificación) o reacciones aeróbicas (como la nitrificación), lo que lleva a una caída del pH.
Por un lado, esta caída del pH es previsible. Si se tiene una comprensión clara de la calidad del agua cruda, esta caída del pH se considera al principio del diseño del proyecto de tratamiento de aguas residuales y, por lo general, se instala una dosificación de álcali. Una vez trabajé en un proyecto de aguas residuales en un área de servicio de una carretera y descubrí que las aguas residuales de esta área contenían niveles muy altos de nitrógeno amoniacal y nitrógeno total. El proceso de nitrificación del nitrógeno amoniacal consume inevitablemente una cantidad significativa de alcalinidad, por lo que se preinstaló un dispositivo de dosificación de álcali. En ese momento, nos encontramos con una situación en la que no reponíamos los productos químicos de manera oportuna, básicamente nos quedamos sin hojuelas de soda cáustica. Como resultado, el pH bajó de 7,5 a 6,5 el primer día y de 6,5 a 5,5 el segundo día. En este punto, el sistema bioquímico esencialmente colapsó, produciendo una cantidad significativa de espuma y excediendo los estándares para efluentes.
Por otro lado, las caídas inesperadas del pH son comunes en las plantas de tratamiento de aguas residuales de los parques industriales. Los ocupantes de estos parques cambian constantemente y las aguas residuales que vierten son diversas. Las plantas de tratamiento de aguas residuales no consideran a los futuros ocupantes durante su diseño inicial. El año pasado, nos encontramos con una caída inexplicable del pH en el tanque aeróbico. El primer paso, por supuesto, fue investigar la calidad del afluente. Observamos que el agua cruda formaba espuma fácilmente al ingresar al tanque regulador, lo que sugiere la presencia de surfactantes. Además de probar el pH del agua cruda, también fue necesario realizar pruebas de alcalinidad.
El siguiente artículo analizará sistemáticamente las causas de la caída del pH en tanques anaeróbicos y aeróbicos desde tres perspectivas: mecanismo de reacción, metabolismo microbiano y factores ambientales.
I. Mecanismos de caída del pH en tanques anaeróbicos
1. Acumulación de ácidos orgánicos
La digestión anaeróbica consta de cuatro etapas: hidrólisis, acidificación, producción de ácido acético y producción de metano. Durante la fase de acidificación, las bacterias facultativas (como Clostridium) descomponen la materia orgánica macromolecular (carbohidratos y proteínas) en ácidos grasos volátiles (AGV, como el ácido acético y el ácido propiónico), alcoholes y CO₂. Si la carga del sistema es excesiva o se inhibe la actividad metanógena (p. ej., por fluctuaciones de temperatura o sustancias tóxicas), los AGV no se pueden convertir rápidamente en CH₄ y CO₂, lo que provoca la acumulación de intermediarios ácidos y una caída significativa del pH (posiblemente por debajo de 5,5).
2. Destrucción del sistema tampón de carbonato
El par amortiguador HCO₃⁻/CO₂ original en las aguas residuales se consume en condiciones anaeróbicas:
El CO₂ se disuelve en agua para formar H₂CO₃, que se disocia en H⁺ y HCO₃⁻;
Los metanógenos utilizan HCO₃⁻ como fuente de carbono, lo que resulta en una disminución de la capacidad amortiguadora.
Cuando las concentraciones de AGV superan los 2000 mg/L, se excede la capacidad de neutralización de la alcalinidad del sistema, provocando una fuerte caída del pH.
Formación de sulfuros;
En aguas residuales que contienen sulfato- (como aguas residuales farmacéuticas y de fabricación de papel), las bacterias reductoras de sulfato- (SRB) reducen el SO₄²⁻ a H₂S, consumiendo alcalinidad y liberando H⁺.
Aunque el OH⁻ se genera localmente, después de que el H₂S se combina con iones metálicos como Fe²⁺ en el agua, el OH⁻ es insuficiente para compensar la acidez de los AGV.
II. Impulsores de la disminución del pH en los tanques aeróbicos
1. Fuerte acidificación por nitrificación
El nitrógeno amoniacal (NH₄⁺) se oxida a NO₃⁻ mediante bacterias nitrosantes (como Nitrosomonas) y bacterias nitrificantes (como Nitrobacter). Por cada mg de NH₄⁺-N oxidado, se consumen 7,14 mg de alcalinidad (medida como CaCO₃) y se liberan 2 unidades de H⁺.
En las aguas residuales con alto contenido de nitrógeno-amoniaco (como las aguas residuales de la acuicultura), el pH puede descender entre 1,5 y 2,0 unidades durante la nitrificación.
2. Producción de ácido por bacterias heterótrofas
Cuando las bacterias heterótrofas en tanques aeróbicos degradan la materia orgánica residual, si el oxígeno disuelto (OD) es insuficiente (<2 mg/L), incomplete oxidation will occur, producing intermediates such as pyruvate and lactate. In addition, some phosphate-accumulating bacteria (such as Accumulibacter) also secrete short-chain fatty acids during the phosphate release phase.
3. Equilibrio de disolución de CO₂
El CO₂ producido por la respiración microbiana se disuelve en agua para formar H₂CO₃. Cuando la intensidad de la aireación es insuficiente, el CO₂ no se puede eliminar de manera efectiva, lo que resulta en un aumento en la concentración de H⁺ en la fase líquida.
III. Efectos sinérgicos y recomendaciones de control
1. Efectos del acoplamiento del sistema anaeróbico-aeróbico
Los AGV en el efluente del tanque anaeróbico ingresan directamente al tanque aeróbico, aumentando la carga de acidificación.
Cuando la solución nitrificada regresa al tanque anaeróbico, la desnitrificación de NO₃⁻ consume materia orgánica pero produce alcalinidad (el pH aumenta entre 0,3 y 0,5). Por lo tanto, es necesario optimizar el índice de recirculación (normalmente entre un 30 y un 70 %).
2. Estrategia de control
Tanque anaeróbico: agregue NaHCO₃ (100-500 mg/L) para mantener la alcalinidad; controlar la carga orgánica (DQO < 5000 mg/L); controle el ORP (-300-100 mV) para evitar una acidificación excesiva.
Tanque aeróbico: Mantener OD > 2 mg/L; utilizar entrada de agua por etapas para diluir los AGV; y agregue cal (Ca(OH)₂) para neutralizar el ácido nitrificante.