De forma especialmente característica, en oposición a procesos de biomasa en suspensión del tipo de lodos activados o lagunas aireadas, en los procesos de "película de biomasa fija" como ser filtros percoladores o torres biológicas, los microorganismos residen en o "sobre" un soporte o superficie apropiada, por ejemplo material plástico o piedra. La utilización de procesos de este tipo puede datar a partir de comienzos de 1800. Por muchísimos años estos procesos constituyeron el tratamiento biológico predominante para aguas residuales residenciales o cloacales. En cierta manera, su uso aislado o exclusivo, como el tipificado por filtros percoladores comunes, ha disminuido, fundamentalmente en base a las exigencias crecientes en cuanto a niveles de descarga.

 Dentro de las variantes o configuraciones más comunes de esta sección podemos destacar:

 - procesos de película de biomasa no inmersa o no sumergida: es probablemente el caso más común, incluyendo filtros percoladores clásicos con rellenos de piedra y biotorres con rellenos sintéticos; en general este enfoque es asociado al tratamiento de material orgánico soluble y/o relativamente diluído; sin embargo, entrarían en esta categoría las instalaciones diseñadas para pretratamiento biológico de cargas orgánicas elevadas;

 - procesos híbridos, combinando película de biomasa y biomasa en suspensión, sea simultánea o sucesivamente: en esta categoría encontramos variantes de biodiscos (RBCs/probablemente SBCs) con sistemas de difusores de fondo, secuencias de trickling filters y lodos activados utilizando distintas alternativas de retorno de lodos, entre otras configuraciones frecuentes, siendo esta categoría empleada para el tratamiento tanto de material en solución como particulado; probablemente pueda incluírse en esta categoría las variantes de lodos activados empleando el auxilio de medios plásticos;

 - procesos de película de biomasa sumergida: un desarrollo relativamente reciente e incluye estructuras completamente sumergidas, con ingreso del efluente desde el fondo y empleando además suministro de aire y en la mayoría de los casos rellenos estructurado y/o random, en distintos materiales: material plástico, cerámica, arena; puede existir un elemento de retención en el caso de lechos fluidizados; el empleo de estos diseños se ha registrado para el tratamiento de efluentes cloacales incluyendo remoción de DBO5, nitrificación y denitrificación.

 Con el fin de mantener "equilibrada" la presentación del contenido de esta sección, referimos al lector interesado al apéndice Aspectos microbiológicos y funcionamiento de filtros percoladores, a efectos de proseguir con la presentación de la siguiente instancia.

 Podemos pensar que además del empleo de formulas como Velz Modificado (ver ejemplo para 5500 m3/día de efluente municipal clarificado con DBO5 = 150 mg/L), puede estimarse para cálculos preliminares pautas de carga del orden de no más de 50 lbBOD5/día por cada 1,000 cu.ft. para el caso de rellenos plásticos. En el caso de filtros percoladores de piedra se han considerado valores similares especialmente al considerar circuitos con dos filtros en serie – ver ejemplo para 3785 m3/día de efluente municipal clarificado con DBO5 = 163 mg/L resuelto con ecuaciones NRC.Tratamiento anaeróbico de constitutivos inicialmente en fase líquida, i.e. efluentes, mediante reactores anaeróbicos y sus variantes

Veamos un ejemplo de una  instalación diseñada para pretratamiento biológico de de un efluente industrial con carga orgánica elevada.

El tratamiento anaeróbico de material esencialmente disuelto es en sí una verdadera especialidad, afortunadamente hoy extremadamente conocida. Conceptualmente la "gran diferencia" consiste en el desarrollo de los procesos anaeróbicos conocidos (hidrólisis, fermentación, acetogénesis, y metanogénesis) dentro de un recipiente cerrado. Existen varias configuraciones con disposiciones y esquemas similares, siendo las variantes más comunes: filtro anaeróbico, UASBs, filtros híbridos (HAFs). Más allá del diseño de cada uno de estos procesos (hoy hecho sumariamente con planillas electrónicas por cada especialista), es importante anotar que existen pautas groseras en cuanto a condiciones de ingreso a los mismos. Podemos indicar por ejemplo  

SS mg/L recomendable menos del 10% del correspondiente valor de DQO

Aceites y grasas, recomendable menos del 10% del correspondiente DQO

Calcio, recomendable menos del 1% del valor de DQO

Sulfatos, recomendable menos del 5% del valor de DQO

TKN, recomendable menos del 5% del valor de DQO o 1,500 mg/L

 Basta revisar estas pautas para poder explicar porqué "existen" tantas plantas con reactores anaeróbicos con "problemas". Se estarán tomando en cuenta, ya no respetando, estos parámetros en los diseños y/o en la operación? Nuevamente, dependiendo del especialista y su experiencia en el tema, las cargas orgánicas volumétricas pueden variar entre 2 y 20 kgDQO/día por metro cúbico de reactor. El diseño del sistema de ingreso y distribución del efluente es crucial para el éxito del proceso. En general, estos procesos requieren tanques de homogenización, típicamente con un volumen mayor o igual al reactor empleado.

 Sin constituir un biofiltro, del punto de vista de proceso las lagunas anaeróbicas y los "viejos" tanques Imhoff no son más que variantes del mismo tema de enorme aplicabilidad en muchísimas plantas industriales y municipales.Tratamiento aeróbico de constitutivos inicialmente en fase gaseosa, i.e. emisiones de procesos industriales, procesos de compost, plantas de tratamiento de efluentes.

 En muchísimos procesos industriales así como emisiones recolectadas en operaciones de bioremediación y plantas de tratamiento de efluentes, la presencia de material contaminante se observa en fase gaseosa, esto es, contenido en una masa gaseosa. Lo que se procura con los denominados biofiltros es simplemente la solubilización de dichos constitutivos para biodegradar por mecanismos biológicos conceptualmente similares a los casos anteriores. 

 Ya desde mediados de los años 50, los biofiltros han sido empleados para el tratamiento de constitutivos en fase gaseosa, fundamentalmente por problema de olores, en plantas de compost y procesos industriales. Dentro de los compuestos frecuentemente encontrados en las aplicaciones y tratables efectivamente, en mayor o menor grado, mediante biofiltros podemos mencionar hidrocarburos de petróleo, solventes halogenados o no, H2S y amoníaco. Algunos especialistas discrepan por ejemplo en la factibilidad de remoción de compuestos conteniendo alguna forma de nitrógeno, e.g. aminas e incluso amoníaco.

Como anotamos anteriormente, los contaminantes deben ser transferidos a la fase líquida para permitir el metabolismo microbiano. Así es como en el tratamiento biológico de fase gaseosa se distinguen tres etapas:

a. transferencia de fase gas a fase líquida

b. transporte o contacto del constitutivo con los microorganismos

c. proceso biológico propiamente dicho, conceptualmente idéntico

 En general los procesos de este tipo han sido reactores completamente empacados con distintos tipos de relleno. Los primeros sistemas, diseñados para control de olores en las plantas de tratamiento de efluentes, utilizaban material frecuentemente circundante con lo que se conoció como soil filters. Estos sistemas trabajaban con densidades de flujo extremadamente bajas (CFM por sq.ft. de area o m3/s por m2 de area) y con la aparición de materiales alternativos, surgió el término biofiltro propiamente dicho. Podríamos finalizar la presentación aquí caracterizando este tipo de reactor por la presencia de constitutivos en fase gaseosa y ausencia de fase líquida en movimiento. Sin embargo, la introducción de biotrickling filters y bioscrubbers, variantes de biofiltros en los que intencionalmente se ha agregado esta última fase terminan por nuevamente alterar el orden de las cosas. En el apéndice II se incluye una descripción muy sumaria de una configuración básica.

Si bien el material que se presenta a continuación se refiere a procesos pertenecientes a la primera categoría (procesos de película de biomasa no inmersa o no sumergida), la microbiología de los procesos híbridos es muy similar. Lamentablemente, la microbiología de la tercera categoría (procesos de película de biomasa sumergida) no está al momento bien definida al ser un desarrollo reciente.

 A efectos de poder visualizar los distintos procesos microbiológicos que acontecen "dentro" de un filtro percolador o biotorrre, es importante describir la operación típica (i.e. como funciona) de una configuración clásica. En la gran mayoría de los casos, el efluente a tratar es distribuído mediante sistemas de tubos y toberas, sea rotativos (motorizados o no) o estáticos, similares a los empleados en los procesos de tipo contra corrriente, sea en aplicaciones de torres de enfriamiento, scrubbers o torres lavadoras, columnas de proceso. El líquido de alguna manera percola o se desliza por la superficie del medio en cuestión (e.g. paneles de PVC, franjas o tiras de otro material, rellenos random, listones de madera) siendo recogido en las bateas o piletas colectoras. A las pocas semanas de "operación" se forma sobre el material soporte, una fina película gelatinosa de biomasa, siendo los constitutivos en solución, estado coloidal o suspendidos finos absorbidos llevándose a cabo los distintos procesos bioquímicos por los microorganismos (bacterias) aeróbicas.  Con el paso de tiempo, el espesor de la película aumenta de tal manera que termina por desprenderse (slough off), masa celular fundamentalmente, en forma intermitente que sera descargada con el efluente, siendo por tanto esencial la utilización de un decantador secundario para la remoción de dichos sólidos. Con un cuidadoso control de la tasa hidráulica es posible un desprendimiento controlado o continuo del film. Es muy común encontrar el reciclado de la salida desde el propio filtro percolador o del clarificador secundario, con tasas ajustadas fundamentalmente para mantener la uniformidad del flujo a través de los filtros.

 Al igual que en la mayoría de los procesos unitarios, dentro de un filtro percolador "típico" en realidad existe una gran variedad de "reacciones" o transformaciones biológicas ocurriendo simultáneamente llevadas a cabo por una comunidad o "consorcio" de microorganismos: bacterias aeróbicas/anaeróbicas/facultativas, hongos, algas y protozoarios. En muchos casos también puede observarse la presencia y acción de animales "superiores" como ser gusanos, larvas de insectos, y caracoles. Es importante remarcar que la composición de las distintas poblaciones de organismos varía tanto a lo largo de la profundidad del reactor así como otros factores y sus variaciones en el tiempo: carga orgánica, carga hidráulica, composición del líquido, pH, temperatura, cambios en la ventilación y disponibilidad de aire (O2), entre otros. En el caso de procesos de película de biomasa no sumergida, e.g. trickling filter, las bacterias facultativas son los microorganismos predominantes. En conjunto con las bacterias puramente aeróbicas y las puramente anaeróbicas comparten la misión de asimilar y transformar los constitutivos presentes en el efluente a tratar. Dentro de la película gelatinosa, en la cual prevalence condiciones adversas con respecto a posibilidad de crecimiento o desarrollo, es frecuente econtrar formas filamentosas. Por otro lado, en las partes inferiores de los filtros es donde se espera encontrar la mayor cantidad de bacterias nitrificantes. Si bien los hongos participan en los procesos de transformación, su efecto es usualmente importante sólo en contextos de pH bajo o en ciertos efluentes específicos. En ciertas condiciones, el desarrollo de los hongos puede ser tan rápido que colmatan los filtros y la ventilación se ve seriamente obstruída.

 Al igual que en muchas aguas superficiales, las algas sólo se presentan en las partes del filtro expuestas a la luz solar. En general las algas no participan del proceso de biodegradación, salvo naturalmente por el aporte de oxígeno en períodos diurnos. Del punto de vista operativo las algas constituyen más que nada un problema por su alto potencial de colmatación del filtro, lo cual se traduce entre otras cosas, en fuertes olores.

 En cuanto a protozoarios la predominancia es del grupo ciliados. Al igual que en los procesos de lodos activados, la función de estos microorganismos es controlar la población bacterial más que participar de los procesos biológicos de remoción. Asimismo, tanto insectos, caracoles y gusanos utilizan la película gelatinosa (biomasa) como alimento y como resultado contribuyen a la dinámica de los procesos involucrados. Estas formas superiores (insectos, caracoles, gusanos) no son tan comunes en los filtros de alta tasa hidráulica (0.2 a 1.20 gpm/sq.ft.). En particular, los caracoles son especialmente "molestos" en filtros nitrificantes dado que consumen con notable predilección las bacterias nitrificantes. 

A grosso modo, los biofiltros consisten en grandes tanques, herméticos, a través de los cuales el aire o masa de gas contaminado se hacer circular mediante tiro forzado o inducido. Al poco tiempo de operación, se desarrollan sobre el medio soporte empleado (tierra, plásticos, trozos de madera) las comunidades o consorcios de microorganismos responsables de la biodegradación.

  Algunas fuentes indican el tiro inducido como promotor de una mejor distribución del aire/masa gaseosa. De todas maneras, la caída de presión por metro de relleno se mantiene generalmente por debajo de 10 mmH2O y la pérdida de carga a través del sistema en operación no resulta un problema salvo en los casos de acumulación excesiva de biomasa. Si bien la densidad de flujo es variable según el constitutivo a tratar, puede considerarse entre 1 y 2 m3/min por m2 de area como valores preliminares. La mayoría de las instalaciones de biofiltros han tenido como objetivo la atenuación o control de olores pero ha habido un número creciente de aplicaciones de remoción de VOCs.

 El sistema propiamente dicho consiste en un soplador, un sistema de humidificación o saturación, la unidad propiamente dicha y en algunos casos sistemas auxiliares de carbon activado, sea como respaldo o como fase ulterior. En muchos casos, además del sistema de humidificación, se emplea un sistema manual para incoporar agua directamente y en algunas instalaciones se recurre al condensado para humidificar el biofiltro. En general los rellenos empleados deben ofrecer una gran superficie por unidad de volumen, alta permeabilidad y preferiblemente una buena fuente de nutrientes para promover los procesos biológicos. Dentro de los materiales naturales más comunes podemos mencionar tierra, compost, "peat", "mulch", fragmentos de madera y materiales sintéticos como monturas de cerámica, anillos Pall en polietileno, pellets de tierras diatomáceas. A diferencia de los filtros percoladores, no se favorece el empleo de materiales como "pedregullo" o piedra por su baja relación superficie/volumen que resulta en bajas tasas de proceso. 

Material adicional disponible en www.Biofiltros.com