Las transformaciones biológicas de la materia orgánica la convierten en un producto final estable y útil como fertilizante. Estas transformaciones o reacciones se producen principalmente dentro de dos contextos; en presencia de oxígeno o aerobias y en ausencia de oxígeno o anaerobias. En determinadas ocasiones, pueden presentarse condiciones mixtas en un mismo medio: interior de reactores, piscinas, etc… donde conviven ambas condiciones en zonas bien diferenciadas.
La transformación aerobia, o fermentación aerobia, de la materia orgánica consiste en su degradación en presencia de oxígeno por medio de bacterias, produciendo principalmente dióxido de carbono, agua y un resto de diversos componentes según la siguiente reacción:
La transformación anaerobia, o fermentación anaerobia, de la materia orgánica consiste en su degradación en ausencia de oxígeno por medio de bacterias, produciendo el denominado biogas, que es una mezcla de múltiples componentes, donde predomina el metano y donde se encuentra una variada cantidad de elementos: CO2, NH3, SH2, etc… en distintas proporciones y múltiples componentes traza.
La actuación conjunta de tres grupos de organismos bacterianos tiene como finalidad la degradación de la fracción orgánica de los residuos en un producto final estable.
- Transformación de compuestos de masas moleculares altas a compuestos aptos como fuente de energía y tejido celular. Un primer grupo de organismos se responsabiliza de hidrolizar los polímeros organismos y los lípidos en unidades estructurales como ácidos grasos, monosacáridos, aminoácidos y compuestos relacionados.
- Conversión bacteriana a compuestos intermedios de menor masa molecular. Un segundo grupo de bacterias anaerobias, acidógenas, fermenta los productos descomponibles del primer grupo en ácidos orgánicos simples, el más común de los cuales en la digestión anaerobia es el ácido acético. Este segundo grupo de microorganismos, descrito como no metanogénico, está formado por bacterias anaerobias facultativas y obligadas.
- Conversión bacteriana a productos finales sencillos. Un tercer grupo de microorganismos, metanogénicas, convierte el hidrógeno y el ácido acético, producido por los formadores de ácidos, en gas metano y dióxido de carbono. Las bacterias responsables de esta conversión son anaerobios estrictos.
La estabilización de la materia orgánica procedente de residuos sólidos urbanos en la digestión anaerobia se completa con la producción de biogás: metano, dióxido de carbono, etc… Este gas es poco soluble, y su salida del medio: vertedero, reactor, digestor, etc… representa la estabilización real de la materia orgánica.
Es importante destacar que las bacterias metanogénicas solamente pueden usar un número de sustratos limitado para realizar su función: C02+ H2, formiato, acetato, metanol, metalinaminas y monóxido de carbono. Las reacciones típicas de conversión que producen energía involucrando a estos compuestos son las siguientes:
De todas ellas, las tres primeras son las más habituales, donde la producción de metano proviene de la conversión de dióxido de carbono e hidrógeno, y de la conversión del formiato y del acetato en metano. Los grupos de bacterias metanógenos y acidógenos se desarrollan en un medio estable compartido en el que las bacterias metanogénicas forman compuestos que inhibirían el crecimiento de acidógenos en la denominada transferencia de hidrógeno entre especies.
Para mantener un sistema de tratamiento anaerobio que estabilice eficazmente la materia orgánica procedente de residuos, las bacterias no metanogénicas y metanogénicas deben estar en un estado de equilibrio dinámico caracterizado por las condiciones que están expuestas a continuación:
- Ausencia de oxígeno disuelto y de concentraciones inhibidoras de amoniaco libre y de constituyentes como metales pesados y sulfitos.
- pH del ambiente acuoso oscilante entre 6,5 y 7,5.
- Alcalinidad variable entre 1.000 y 5.000 mg/l.
- Presencia suficiente de nutrientes, tales como nitrógeno y fósforo.
- Temperaturas mesofilicas, 30 a 38ºC y termofilicas, 55 a 60ºC.
Puede describirse la transformación anaerobia general de la materia orgánica procedente de residuos sólidos, con obtención de biogás, mediante la siguiente ecuación:
