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BULKING
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FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS
CAMPUS COATZACOALCOS
“ANÁLISIS Y CONTROL DEL ABULTAMIENTO FILAMENTOSO EN
UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO QUÍMICO
PRESENTA:
ALAN MICHAEL REYES SÁNCHEZ
COATZACOALCOS, VER 2009
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3
DEDICATORIAS
A Dios: Por permitirme llegar a la etapa universitaria, tener una familia, amigos y personas
que forman inspiración para mi vida.
A mi Madre, Anet del Carmen Sánchez Gómez: Pilar muy importante en mi vida por sus
incontables consejos, tiempo y apoyo en mi carrera.
A mi Padre, Mercedes Reyes Alemán: Motor en mi vida, por sus esfuerzos, consejos y
orientarme durante mi carrera.
A mi hermano, Francisco X. Reyes Sánchez: Por su apoyo a lo largo de mi formación
universitaria.
A mi novia, Miriam Vásquez Escobar: Por su paciencia y tiempo brindado durante la
carrera y en la elaboración del presente trabajo.
Al Ing. Gustavo A. Robelo Grajales: Por aceptar ser mi asesor, sus consejos, puntos de vista
y tiempo empleado en la realización de la tésis.
Al Ing. Luis Antonio Toledo del Castillo: Por permitirme realizar mi servicio social en la
planta, por brindarme su amistad y apoyo en el trascurso del tiempo, por proporcionarme el
tema de tesis y aconsejarme para la elaboración de la misma.
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INDICE
RESUMEN .................................................................................................................................................... 6
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 7
1.1 TRATAMIENTO DE EFLUENTES ...................................................................................................... 9
1.1 .1 CARACTERISTICAS DEL AGUA RESIDUAL ............................................................................... 9
1.1.2 CARACTERISTICAS CUALITATIVAS ......................................................................................... 11
1.1.3 PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS PRIMARIOS .......................................................... 13
1.1.4 SEDIMENTACION .......................................................................................................................... 14
1.1.4.1 DECANTACIÓN ............................................................................................................................ 15
1.1.5 COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN ............................................................................................. 18
1.1.5.1 ELECCIÓN DEL COAGULANTE ................................................................................................ 21
1.1.6 FILTRACION .................................................................................................................................... 22
1.2 CONCEPTOS BASICOS DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO SECUNDARIO ............................ 23
1.2.1 BACTERIAS ..................................................................................................................................... 24
1.2.2 TRATAMIENTO BIOLÓGICO. ....................................................................................................... 26
1.2.3 LODOS ACTIVADOS. ...................................................................................................................... 27
1.2.3.1 VARIANTES DEL SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS ........................................................... 28
1.2.4 DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGENO (DBO) ........................................................................ 34
1.2.5 DEMANDA QUÍMICA DE OXIGENO (DQO) ............................................................................... 34
1.12 PH Y SU EFECTO .............................................................................................................................. 36
1.13 TEMPERATURA Y SU EFECTO. .................................................................................................... 37
1.2.6 NUTRIENTES .................................................................................................................................. 38
1.2.7 REACCIONES PRINCIPALES DE LA BIODEGRADACION: ...................................................... 39
5
MICROORGANISMOS FILAMENTOSOS, CRECIMIENTO Y CONTROL DEL BULKING
FILAMENTOSO ......................................................................................................................................... 42
2.1 ANTECEDENTES ................................................................................................................................ 42
2.2 FILAMENTOSOS Y SU DESARROLLO ........................................................................................... 42
2.3 METODOS PARA IDENTIFICACIÓN DE MICROORGANISMOS [3]
............................................ 46
2.4 CARACTERISTICAS MORFOLOGICAS DE LOS FILAMENTOSOS ............................................ 46
2.5.1 TINCION DE GRAM ........................................................................................................................ 48
2.6 MICROORGANISMOS FILAMENTOSOS ....................................................................................... 49
2.6.1 MICRORGANISMOS FILAMENTOSOS E IMPORTANCIA PARA EL SISTEMA DE LOSDOS
ACTIVADOS ............................................................................................................................................. 50
2.7 CONTROL DEL BULKING FILAMENTOSO .................................................................................. 51
3.1 COMPORTAMIENTO DE LA F/M EN LOS BIOREACTORES DE LA PLANTA DE
TRATAMIENTO ........................................................................................................................................ 56
3.2 INVESTIGANDO A LOS MICROORGANISMOS ............................................................................ 60
3.3 RESULTADOS ENCONTRADOS EN LA IDENTIFICACIÓN EN LOS LABORATORIOS DE
CELANESE Y TOMANDO COMO REFERENCIA LAS IMÁGENES ENCONTRADAS EN LA
LITERATURA. ........................................................................................................................................... 64
CONCLUSIONES ...................................................................................................................................... 66
RECOMENDACIONES ............................................................................................................................. 67
DEFINICIONES ......................................................................................................................................... 69
BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................................... 72
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RESUMEN
La utilización de bacterias (lodos activados) para la degradación de materia orgánica es
un método eficiente para obtener corrientes de influentes en parámetros necesarios para ser
descargados a un destino final sin contaminar dicho receptor. Un problema común en la
utilización de lodos activados es el abultamiento (Bulking) filamentoso el cual se identifica en la
planta de tratamiento de efluentes por los datos observados en el balance mensual de la relación
F/M (cantidad de alimento que las bacterias presentes pueden degradar) y por la baja
sedimentabilidad observada en las muestras diarias. El objetivo de este trabajo es identificar de
una lista de 30 filamentosos los microorganismos que predominan en las cámaras para poder así
controlar su crecimiento y evitar problemas operativos y por ende, ecológicos. La identificación
se realizó tomando muestras en las cámaras y realizando la tinción de Gram para posteriormente
ser vistos en un microscopio de una resolución de 100x, los resultados encontrados fueron la
presencia de los filamentosos Microthix Parvicella, Nostocoida Limicola I, Nostocoida Limicola
II y Thiothrix Parvicella que crecen principalmente por la deficiencia de oxígeno en las cámaras.
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INTRODUCCIÓN
Un método efectivo para el tratamiento de desechos industriales y de gran aceptación
mundial en diferentes plantas de tratamiento de aguas son los lodos activados.
Los lodos activados son usados para degradar la materia orgánica a través de bacterias, dichas
bacterias, como todo organismo vivo, cumplen con el ciclo nacer, crecer, comer, reproducirse y
morir.
Un buen tratamiento de lodos activados provoca que exista una buena sedimentabilidad
propiciando así la correcta separación y los mejores resultados para la clarificación. Sin embargo,
un problema muy común encontrado en diferentes plantas de tratamiento es el bulking
filamentoso.
El bulking filamentoso no es más que un abultamiento en el interior del líquido, lo que provoca
una baja o pobre sedimentabilidad que a su vez ocasiona problemas en la compactación de lodos.
El abultamiento (bulking) filamentoso funciona como una malla que atrapa a las bacterias
formadoras de flóculos impidiendo así su sedimentación, sin embargo, la presencia de
filamentosos no es del todo negativa, cuando existen en menor proporción que las bacterias
floculadoras. La masa formada por la red de bacterias filamentosas y las bacterias floculadoras
provocan una sedimentabilidad mejor. Los problemas inician cuando los filamentosos existen en
mayoría.
El abultamiento (bulking) filamentoso es un problema común en las plantas de
tratamiento de efluentes, la adición de cloro es un método usado y aceptado como bactericida, sin
embargo no es conveniente utilizar para erradicar completamente el problema de filamentosos.
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CAPITULO 1
TRATAMIENTO DE EFLUENTES:
PRIMARIO Y SECUNDARIO
9
GENERALIDADES
1.1 TRATAMIENTO DE EFLUENTES
Con la finalidad de introducir al lector a los procesos básicos de separación de
contaminantes en el agua residual y comprender la importancia de regresar el agua su forma
primitiva tal y como el medio ambiente nos la proporciona. Se mencionan las características del
agua residual y algunos procesos por los cuales se realiza la separación de los sólidos
suspendidos.
Las plantas y los animales acuáticos necesitan oxígeno para vivir. Si la capacidad de
asimilación de un rio se sobrepasa, no quedará suficiente oxígeno en el agua para que vivan los
animales y plantas adecuados. Cuando esto ocurre, el río se contamina más y más. La
contaminación mata los peces y supone un peligro para las comunidades que utilizan el agua.
Para combatir la contaminación y ayudar a la naturaleza, las comunidades construyen
plantas de tratamiento de aguas residuales (depuradoras). Estas plantas sirven para reducir la
cantidad de contaminantes que se liberan al medio ambiente.
Nos ayudan a controlar la contaminación y las enfermedades y a mantener fuentes de agua
limpias para usos domésticos y recreativos.
1.1 .1 CARACTERISTICAS DEL AGUA RESIDUAL [4]
Los términos ―desechos brutos‖ o ―agua residual bruta‖ se emplean para denominar el
agua y los sólidos que entran en las plantas de tratamiento.
Las aguas residuales que se recogen en una comunidad provienen de diferentes fuentes.
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Estas son las distintas fuentes:
Domésticas
Comerciales
Industriales
Agua de tormenta y
Agua del terreno
Las aguas residuales domésticas son las que se originan en las viviendas. Contienen
sólidos fecales (residuos humanos) y residuos derivados de operaciones domésticas como lavar,
cocinar, bañarse o fregar.
Las aguas residuales comerciales provienen de pequeños negocios como lavanderías o
restaurantes.
Las aguas residuales industriales provienen de fábricas.
Las aguas residuales tienen que ser procesadas con mucho cuidado porque pueden
contener compuestos tóxicos, pueden ser deficientes en nutrientes, contener mucha materia
orgánica, ser muy ácidas o básicas (pH extremo) o poseer otras sustancias o características que
afecten negativamente al funcionamiento de la planta depuradora.
Las aguas residuales con cantidades excesivas de sustancias peligrosas, tales como metales
pesados o compuestos venenosos se denominan residuos tóxicos.
Los residuos deficientes en nutrientes se generan habitualmente en industrias conserveras.
Estas aguas residuales son dañinas para los microorganismos porque no contienen suficientes
nutrientes como nitrógeno o fósforo que son esenciales para la vida de los microorganismos.
Las aguas residuales ricas en materia orgánica pueden pasar por la planta sin ser
depuradas adecuadamente y provocar que se incumplan las regulaciones sobre la calidad del
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efluente de la planta. Los residuos de una lechería o una quesería, por ejemplo, son muy ricos en
materia orgánica.
1.1.2 CARACTERISTICAS CUALITATIVAS
El agua residual que llega a una planta depuradora suele contener un 99,98% de agua y un
0,02% de sólidos. El agua residual bruta normalmente es turbia, grisácea y huele a húmedo. Si el
agua residual es negra y huele mal cuando entra en la depuradora esto indica que se ha vuelto
―séptica‖. El agua residual se vuelve séptica cuando no lleva suficiente oxígeno disuelto y
dominan los procesos anaerobios (sin oxígeno). El agua residual puede volverse séptica si pasa
demasiado tiempo en los colectores. Las temperaturas templadas favorecen las condiciones
sépticas. El agua residual es agua que lleva sólidos, disueltos o en suspensión.
Los sólidos presentes pueden clasificarse atendiendo a diversos criterios. Pueden
dividirse, por ejemplo, en sólidos orgánicos y sólidos inorgánicos.
Los sólidos orgánicos son los residuos de las formas de vida vegetales y animales. Estos
sólidos son degradables (se pueden descomponer).
Los sólidos inorgánicos, por el contrario, normalmente no se degradan. Entre ellos está
materiales como arena, grava, sedimentos y sales.
Ambos tipos de sólidos, orgánicos e inorgánicos, pueden dividirse a su vez en sólidos en
suspensión y sólidos disueltos.
Parte de los sólidos orgánicos e inorgánicos pueden estar flotando, suspendidos en el líquido.
Los sólidos en suspensión son aquellos que flotan en el agua. Estos sólidos pueden ser
eliminados del agua por métodos físicos o mecánicos, tales como dejando que se depositen o
filtrándolos.
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Los sólidos en suspensión incluyen partículas de gran tamaño tales como los sólidos
fecales, papeles, maderas, restos de comida, basura y materiales similares. La mayoría de los
sólidos en suspensión son orgánicos.
Otro tipo de sólidos que entran en una depuradora son los sólidos disueltos.
Los sólidos disueltos están realmente en solución en el líquido. Por ejemplo, cuando se
mezcla azúcar con agua caliente el azúcar se disuelve en el agua. El azúcar es ahora un sólido
disuelto.
Al conjunto de todos los sólidos se le denomina sólidos totales
Los sólidos coloidales son partículas extremadamente pequeñas que no sedimentan por
métodos convencionales. Para sedimentar tienen que ser agrupados en partículas mayores. En
ocasiones se eliminan por filtración.
Nitrógeno
Otro componente importante del agua residual es el nitrógeno.
En las aguas residuales, el nitrógeno está en cuatro formas básicas: nitrógeno orgánico,
amonio, nitrito y nitrato.
El nitrógeno total es la suma del nitrógeno orgánico, amonio, nitrito y nitrato. El agua
residual doméstica suele contener 20-50 mg/L de nitrógeno total y 12-40 mg/L de amonio.
Suspendidos disueltos
Suspendidos disueltos
Orgánicos
Inorgánicos
Sólidos totales
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Los microorganismos necesitan nitrógeno para desarrollarse. Si el agua residual no
contiene suficiente pueden ocurrir problemas por deficiencia de nutrientes durante el tratamiento
secundario.
Fósforo
Otro componente del agua residual importante para los microorganismos es el fósforo. El
fósforo, como el nitrógeno, es un elemento esencial para el crecimiento biológico. En el agua
residual, el fósforo se encuentra en 3 formas: Ortofosfatos solubles, Polifosfatos inorgánicos y
Fosfatos orgánicos.
El ortofosfato es la forma más fácilmente asimilable por los microorganismos y se utiliza
como un parámetro de control en los procesos biológicos de eliminación de fósforo.
A menudo en una planta se mide el fosforo total, el fósforo total es la suma de los
compuestos de las tres formas de fósforo.
Es importante reseñar que la descarga tanto de fósforo como de nitrógeno debe ser
controlada porque puede provocar un crecimiento excesivo de algas en las aguas receptoras.
El crecimiento excesivo de algas en las aguas receptoras causa una disminución del
oxígeno disuelto y, a largo plazo, serios problemas de contaminación.
1.1.3 PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS PRIMARIOS [1]
La selección de los procesos de tratamiento de aguas residuales o la serie de procesos de
tratamiento depende de un cierto número de factores, entre los que se incluyen:
1. Características del agua residual: DBO, materia en suspensión, pH, productos tóxicos.
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2. Calidad del efluente de salida requerido.
3. Coste y disponibilidad de terrenos; p. ej., ciertos tratamientos biológicos (lagunaje,
estanques de estabilización) son económicamente viables únicamente en el caso de que se
disponga de terrenos de bajo coste.
4. Consideración de las futuras ampliaciones o la previsión de límites de calidad de vertido
más estrictos, que necesiten el diseño de tratamientos más sofisticados en el futuro.
5. Coste local del agua; p. ej. ciertos tratamientos sofisticados (p. ej. ósmosis inversa)
podrían justificarse en determinadas regiones en que el costo del agua es elevado, y
estarían fuera de lugar en regiones de bajo costo del agua.
Los pretratamientos de aguas residuales implican la reducción de sólidos en suspensión o
el acondicionamiento de las aguas residuales para su descarga bien en los receptores o para pasar
a un tratamiento secundario a través de una neutralización u homogeneización. Para ello pueden
utilizarse, la sedimentación, la coagulación y floculación y el filtrado.
1.1.4 SEDIMENTACION [1]
La sedimentación se utiliza en los tratamientos de aguas residuales para separar sólidos en
suspensión de las mismas. La eliminación de las materias por sedimentación se basa en la
diferencia de peso específico entre las partículas sólidas y el liquido donde se encuentran, que
acaba en el depósito de las materias en suspensión. En algunos casos, la sedimentación es el
único tratamiento al que se somete el agua residual. La sedimentación puede producirse en una o
varias etapas o en varios de los puntos del proceso de tratamiento. En una planta típica de lodos
activos, la sedimentación se utiliza en tres de las fases del tratamiento: 1) En los desarenadores,
en los cuales la materia inorgánica (arena), a veces se elimina del agua residual; 2) en los
clarificadores o sedimentadores primarios, que preceden al reactor biológico, y en el cual los
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sólidos (orgánicos y otros) se separan; 3) en los clarificadores o sedimentadores secundarios, que
siguen al reactor biológico, en los cuales los lodos del biológico se separan del efluente tratado.
Tipos de sedimentación
Pueden considerarse tres tipos de mecanismos o procesos de sedimentación, dependiendo
de la naturaleza de los sólidos presentes en suspensión.
1. Sedimentación discreta. Las partículas que se depositan mantienen su individualidad, o
sea, no se somete a un proceso de coalescencia con otras partículas. En este caso, las
propiedades físicas de las partículas (tamaño, forma, peso específico) no cambian durante
el proceso. La deposición de partículas de arena en los desarenadores es un ejemplo típico
de sedimentación discreta.
2. Sedimentación con floculación. La aglomeración de las partículas va acompañada de
cambios en la densidad y en la velocidad de sedimentación o precipitación. La
sedimentación que se lleva a cabo en los clarificadores o sedimentadores primarios es un
ejemplo de este proceso.
3. Sedimentación por zonas. Las partículas forman una especie de manta que sedimenta
como una masa total presentando una interfase distinta con la fase liquida. Ejemplos de
este proceso incluyen la sedimentación de lodos activos en los clarificadores secundarios
y la de los flóculos de alúmina en los procesos de tratamientos de aguas.
1.1.4.1 DECANTACIÓN
El objetivo fundamental de la decantación primaria es la eliminación de los sólidos
sedimentables. La mayor parte de las sustancias en suspensión en las aguas residuales no pueden
retenerse, por razón de su finura o densidad, en las rejillas, desarenadores y cámaras de grasa, ni
tampoco pueden separarse mediante flotación por ser más pesadas que el agua.
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La reducción de la velocidad de corriente por debajo de un determinado valor, (función de
la eficacia deseada en la decantación), es el fundamento de la eliminación de un 50 a 60 por 100
de las materias en suspensión del influente. Al depositarse estas partículas de fango, arrastran en
su caída una cierta cantidad de bacterias, con lo que se alcanza también, en este tipo de
tratamiento, una reducción de la DBO y una cierta depuración biológica.
Sirven como decantadores todos los depósitos que sean atravesados con velocidad
suficientemente lenta y de forma adecuada por el agua a depurar. La exigencia, sin embargo, de
separar fácil y rápidamente las partículas sedimentadas de las aguas clarificadas ha conducido a
ciertas formas especiales.
Los elementos fundamentales de todo decantador son:
1. Entrada del afluente: Deben proyectarse en forma tal que la corriente de alimentación se
difunda homogéneamente por todo el tanque desde el primer momento.
2. Deflectores: Suelen colocarse a la entrada y salida de la balsa sirviendo, el primero, para
conseguir una buena repartición del caudal afluente, y el segundo para retención de las
sustancias flotantes, grasas y espumas.
3. Vertedero de salida: Su nivelación es muy importante para el funcionamiento correcto de
la clarificación. Por otro lado, para no provocar levantamiento de los fangos
sedimentados, la relación del caudal afluente a la longitud total de vertido debe ser menor
de 10-12 m3/h/m.
4. Características geométricas: Las relaciones entre ellas deben ser las adecuadas para la
sedimentación de los tipos de partículas previstas. Su forma puede ser rectangular,
cuadrada o circular.
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BASES TEÓRICAS DE LOS PRINCIPALES PROCESOS DE TRATAMIENTO
Para depurar el agua, generalmente es preciso combinar varios tratamientos elementales,
cuyas bases pueden ser físicas, químicas o biológicas, y cuyo efecto es el de eliminar en primer
lugar las materias en suspensión, a continuación las sustancias coloidales, y después las
sustancias disueltas (minerales u orgánicas). Por último, deben corregirse ciertas características.
En cada etapa y dependiendo de los objetivos que se pretenda alcanzar, pueden aplicarse diversos
principios. La presencia en el agua de diversas sustancias sólidas constituye, indudablemente, la
parte más importante y aparente de la contaminación. Debe eliminarse esta parte sólida para
evitar gran número de inconvenientes, de los cuales los más importantes son: obstrucción de
conducciones o de refrigerantes, abrasión de bombas o de órganos de medida, desgaste de
materiales diversos, etc., que inciden notablemente en los costes de explotación o de
mantenimiento de las unidades de fabricación. En el caso de aguas de abastecimiento o de
vertidos, deben cumplirse, además, las exigencias de la reglamentación. La separación de las
partículas sólidas del agua puede hacerse de acuerdo con dos principios diferentes:
Acción directa de la pesantez, por simple decantación en función del grosor y del peso
especifico de las partículas, o por flotación, fijando sobre las partículas burbujas de aire
sistemáticamente introducidas en la suspensión. Puede acelerarse artificialmente el primer
proceso, mediante la intervención de la fuerza centrífuga, por ejemplo en hidrociclones o
centrifugadoras.
Filtración o tamizado.
No obstante, la aplicación pura y simple de estos principios tropieza con una dificultad
debida a la gran dispersión del tamaño de las partículas, incluso para un determinado tipo de
contaminación.
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En la tabla 1, se relacionan ciertos materiales u organismos, con su tamaño medio, así como el
orden de magnitud del tiempo necesario para que estas partículas recorran verticalmente un metro
de agua, únicamente por la influencia de su peso.
Diámetro de la partícula (mm) Tipo de sedimentación para
1m (orden de magnitud)
10 Grava 1 segundo
1 Arena 10 segundos
0.1 Arena fina 2 minutos
0.01 Arcilla 2 horas
0.001 Bacteria 8 días
0.0001 Partícula coloidal 2 años
0.00001 Partícula coloidal 20 años
Tabla 1. Tiempo de sedimentación de diferentes materiales
1.1.5 COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN [2]
Para permitir la separación de una suspensión coloidal en condiciones de velocidad
satisfactorias, por ejemplo, bajo la influencia de la pesantez, es necesario aglomerar los coloides
para formar partículas de tamaño mucho mayor. Por lo tanto, la suspensión debe transformarse
por medios artificiales. Esta transformación es la resultante de dos acciones diferentes:
Una desestabilización, que se efectúa, generalmente, por adición de reactivos químicos
que, por medio de mecanismos de agregación o de adsorción, anulan las fuerzas
repulsivas.
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Una aglomeración de los coloides «descargados», que resulta de diversas fuerzas de
atracción entre partículas puestas en contacto, en primer lugar por movimiento browniano,
hasta la obtención de un grosor de 0,1 micra aproximadamente, y después por agitación
mecánica exterior, que conduce a un tamaño suficiente de los flóculos.
Entre los especialistas en el tratamiento del agua, se reserva el término «coagulación» para
denominar el fenómeno de desestabilización, y el de «floculación» para la aglomeración de los
coloides descargados. A los reactivos correspondientes se les llama, respectivamente, coagulantes
y floculantes.
Evolución en su empleo:
El empleo sistemático de sales minerales de cationes polivalentes como coagulantes data
de los últimos años del siglo pasado. En esa época, se establecieron sus leyes, que muestran que
la acción coagulante es función de la valencia del ion que posee una carga opuesta a la de las
partículas. La coagulación se efectúa tanto mejor cuanto mayor es esta valencia (teoría de
Schulze-Hardy). Esta teoría explica, en parte, por qué las sales de hierro y de aluminio trivalentes
han sido, y continúan siendo, las más utilizadas en todos los tratamientos de coagulación del
agua.
Sin embargo, estos coagulantes, debido a la hidrólisis que experimentan, presentan el
inconveniente de modificar las características físico-químicas del líquido separativo (pH-
conductividad). En dosis fuertes, producen un exceso de fangos que, generalmente, constituyen
un problema. Por otra parte, estos agentes no dan siempre un precipitado que posea las
características deseadas para una buena separación.
Por estas razones, se ha recomendado el empleo de floculantes; en primer lugar, productos de
origen natural mineral (sílice activada) u orgánico (almidones, alginatos...), y más tarde productos
de síntesis (polímeros de masa molar elevada), denominados polielectrólitos.
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Coagulantes minerales
Los coagulantes que se utilizan con más frecuencia son las sales de hierro o de aluminio y
principalmente, por razones económicas, el sulfato de aluminio y el cloruro férrico.
La acción coagulante de estas sales es el resultado de la hidrólisis que sigue a su disolución, sin
llevar inmediatamente a la formación del hidróxido por ejemplo, AI(OH)3. Los compuestos
intermedios del aluminio, complejos hidróxido-aluminosos, no sólo aportan las cargas necesarias
para la neutralización de los coloides, sino que, según ciertos autores, pueden polimerizarse, y,
por lo tanto, crear puentes entre los coloides cebando el proceso de floculación.
La dosis de coagulante se determina realizando ensayos con el agua considerada.
El pH desempeña un papel muy importante en el estudio de los fenómenos de
coagulación-floculación; es así como una parte de la carga de las partículas coloidales que han
adsorbido iones OH- queda destruida por un aumento de la concentración en iones H
+, lo que
disminuye la estabilidad de la suspensión coloidal.
Paralelamente, es preferible que el pH quede dentro de la zona correspondiente al mínimo de la
solubilidad de los iones metálicos del coagulante utilizado para las sales de aluminio, el mínimo
de iones Al+3
permanece en solución a un pH comprendido entre 6 y 7.4; fuera de este margen, y
según la mineralización del agua, existe el riesgo de volver a encontrar en solución una
proporción más o menos fuerte de aluminio.
En ciertos casos excepcionales, el agua a tratar contiene gran cantidad de materias ricas en
compuestos aluminicos. Una simple elevación del pH provoca la coagulación de estos
compuestos.
Para las sales de hierro, la zona de pH es mucho más amplia. Se alcanza el mínimo de solubilidad
cuando el pH es superior a 5.
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Floculantes
Los floculantes, llamados también ayudantes de coagulación, ayudantes de floculación e
incluso ayudantes de filtración, son productos destinados a favorecer cada una de estas
operaciones. La acción puede ejercerse al nivel de la velocidad de reacción (floculación más
rápida) o al nivel de la calidad del flóculo (flóculo más pesado, más voluminoso y más
coherente).
Los floculantes pueden clasificarse por su naturaleza (minera u orgánica), su origen (sintético o
natural) o el signo de su carga eléctrica (aniónico, catiónico o no iónico).
Sílice activada: la sílice activada está constituida por una solución de ácido polisilicico (H2Si O3)4
procedente de la polimerización controlada del ácido silícico. Es poco estable, por lo que debe
prepararse «in situ». Sin embargo, durante mucho tiempo se le ha considerado como el mejor
floculante capaz de asociarse a las sales de aluminio, hasta el reciente desarrollo de los
polielectrólitos. Se sigue utilizando frecuentemente en la producción de agua potable.
Polímeros orgánicos: los polímeros orgánicos son macromoléculas de cadena larga, de origen
natural o conseguidas por asociación de monómeros sintéticos, algunos de los cuales poseen
cargas eléctricas o grupos ionizables. La eficacia de los polímeros naturales es relativamente
pequeña; en cambio, mediante el empleo de los polímeros sintéticos se han conseguido resultados
notables. Su utilización en el tratamiento de aguas para el consumo público es objeto de
reglamentos sanitarios propios de cada país.
1.1.5.1 ELECCIÓN DEL COAGULANTE
La elección del coagulante se efectuará después de un estudio del agua en laboratorio,
mediante la técnica de ensayos de floculación. En esta elección deben tenerse en cuenta diversos
factores:
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Naturaleza y calidad del agua bruta
Variación de la calidad del agua bruta (variaciones diarias o según las estaciones, en
especial, influencia de la temperatura)
Criterios de calidad y destino del agua tratada
Tratamiento previsto después de la coagulación (coagulación sobre filtro, decantación)
Grado de pureza del reactivo, especialmente en el caso de aguas para abastecimiento
público.
Teniendo en cuenta que la neutralización de los coloides es el principal objetivo que se pretende
en el momento de la introducción del coagulante, es conveniente que el reactivo utilizado se
difunda con la mayor rapidez posible.
En efecto, el tiempo de coagulación es extraordinariamente breve (inferior al segundo) y la
utilización óptima del coagulante exige que la neutralización de los coloides sea total antes de
que una parte del coagulante haya comenzado a precipitar (por ejemplo, en forma de hidróxido
metálico).
1.1.6 FILTRACION
La filtración es una técnica, proceso tecnológico u operación unitaria de separación, por la
cual se hace pasar una mezcla de sólidos y fluidos, gas o líquido, a través de un medio poroso o
medio filtrante que puede formar parte de un dispositivo denominado filtro, donde se retiene de la
mayor parte de él o de los componentes sólidos de la mezcla.
Las aplicaciones de los procesos de filtración son muy extensas, encontrándose en
muchos ámbitos de la actividad humana, tanto en la vida doméstica como de la industria general,
donde son particularmente importantes aquellos procesos industriales que requieren de las
técnicas de ingeniería química.
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La filtración se ha desarrollado tradicionalmente desde un estadio de arte práctico, recibiendo una
mayor atención teórica desde el siglo XX. La clasificación de los procesos de filtración y los
equipos son diversos y en general, las categorías de clasificación no se excluyen unas de otras.
La variedad de dispositivos de filtración o filtros es tan extensa como las variedades de
materiales porosos disponibles como medios filtrantes y las condiciones particulares de cada
aplicación: desde sencillos dispositivos, como los filtros domésticos de café o los embudos de
filtración para separaciones de laboratorio, hasta grandes sistemas complejos de elevada
automatización como los empleados en las industrias petroquímicas y de refino para la
recuperación de catalizadores de alto valor, o los sistemas de tratamiento de agua potable
destinada al suministro urbano.
1.2 CONCEPTOS BASICOS DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO
SECUNDARIO
Una vez comprendido algunos de los procesos de separación del agua, es necesario
introducir algunos conceptos que son la base para entender un tratamiento secundario, los
tratamientos primarios consisten en lo que la misma naturaleza puede realizar, la separación de
los sólidos más pesados por la acción de la gravedad y la sedimentación de las partículas
coloidales por medio de químicos (coagulantes y floculantes).
El tratamiento secundario involucra variables diferentes que nos indican la calidad de las
corrientes a tratar, dichas variables pueden ser controlables o no, como por ejemplo la DBO y la
DQO que son características propias de las corrientes de entrada, algunas otras variables que son
controlables y que deben mantenerse en rangos específicos para evitar problemas en las descargas
son la temperatura, el pH, el oxigeno disuelto, la relación F/M, etc. Dichas variables se definirán
a continuación para entender el proceso del tratamiento secundario y de los lodos activados que
trata precisamente, con bacterias.
24
El objetivo del tratamiento secundario consiste en eliminar por sistemas aerobios los
contaminantes que no lograron ser precipitados, en otras palabras, la materia orgánica, decir
materia orgánica es para englobar lo que el tratamiento secundario debería eliminar a través del
sistema de lodos activados, pero en sí las corrientes a tratar contienen también materiales
inorgánicos que dificultan el ―trabajo‖ de las bacterias encargadas de la degradación de la
materia, provocando que surjan algunos problemas operativos, precisamente, como el
abultamiento (bulking) filamentoso.
Como se menciona en el capítulo primero, la adición de nutrientes como el fósforo y el
nitrógeno es un factor importante en el tratamiento de efluentes y es el tratamiento secundario
donde adquiere mayor significado ya que el proceso de lodos activados involucra bacterias, que
son seres vivos, y para mantenerlas en buenas condiciones para lograr los fines de separación
deseados, es necesario que se le proporcionen los nutrientes antes mencionados.
1.2.1 BACTERIAS [3]
Las bacterias son pequeñísimos organismos vivos, formados por una sola célula. Estos
organismos son tan pequeños que solamente pueden ser vistos con el microscopio, por lo cual se
incluyen dentro del término más general de microorganismos. Las funciones de asimilación de
alimentos, excreción de desperdicios, respiración, crecimiento y todas las otras actividades, son
efectuadas por una sola célula. Muchas bacterias tienen características que ordinariamente se
asocian con el reino animal y otras que se relacionan más con el reino vegetal. En ciertos
aspectos, se puede considerar que las bacterias constituyen un eslabón entre los dos.
Las bacterias se encuentran de modo ubicuo en nuestro ambiente. Las hay en el suelo, y
por medio del polvo están suspendidas en el aire. Se encuentran en el agua, como resultado del
paso de la lluvia a través del aire y debido al paso de las corrientes de agua a través y sobre el
25
suelo. Hay bacterias en los cuerpos de todos los organismos vivos y muchas de ellas llevan a
cabo funciones muy útiles y necesarias relacionadas con la vida de los organismos más grandes.
DESARROLLO DE LAS BACTERIAS
Todas las bacterias requieren alimento para continuar su vida y crecimiento, y todas son
afectadas por las condiciones del ambiente. Es igual que los seres humanos, comen, respiran,
necesitan humedad, requieren calor y desechan substancias de desperdicio. Sus requerimientos
alimenticios son bien definidos, y de modo general ya han sido indicados. Sin un abastecimiento
de comida adecuado a lo que requiere un tipo específico de organismo, las bacterias no crecerán y
ni se multiplicarán al máximo y, por lo tanto, no desarrollarán total y completamente sus
funciones.
BACTERIAS AEROBIAS
Todas las bacterias requieren oxigeno para su proceso de crecimiento. Algunas lo
requieren en forma gaseosa elemental, la cual obtienen del aire. A tales bacterias se les conoce
como aerobias. La mayoría de los animales y de las plantas son aerobios; oxidan completamente
los combustibles del organismo para desprender dióxido de carbono y agua en un proceso que se
denomina respiración.
BACTERIAS ANAEROBIAS
Algunas bacterias no pueden vivir en presencia de oxígeno gaseoso libre, sino que tienen
que obtener el oxígeno que necesitan para su respiración descomponiendo o destruyendo
sustancias complejas. A estas bacterias se les conoce como anaerobias.
26
REQUERIMIENTOS DE TEMPERATURA
Las bacterias son muy sensibles al calor. Algunas viven mejor a las temperaturas
ordinarias del ambiente, o sea de 15 a 20 °C. Algunas, especialmente las formas parásitas,
requieren de temperaturas mayores, generalmente la del cuerpo de los animales vivos, que es de
37 °C. Otras pueden vivir solamente a muy bajas temperaturas, apenas sobre el punto de
congelación del agua. Cualquier cambio notable en la temperatura óptima requerida por una
bacteria específica causa una disminución en sus actividades y, si es suficientemente grave, puede
causar su muerte. Si la temperatura del ambiente se eleva hasta la de ebullición del agua, casi
todos los tipos de bacterias son destruidos.
Los siguientes temas están enfocados a los conceptos básicos que se deben manejar en
una planta de tratamiento. Asimismo, se explicarán las fórmulas más comunes para determinar
diversos parámetros propios de cualquier planta de tratamiento de efluentes.
1.2.2 TRATAMIENTO BIOLÓGICO.
Los procesos de oxidación biológica pueden ser aerobios o anaerobios, los primeros se
realizan en presencia de oxigeno libre disuelto, mientras que los anaerobios transcurren en
ausencia de oxigeno libre disuelto.
El mecanismo de la oxidación biológica consiste en la asimilación de la materia orgánica
contenida en las aguas residuales por los microorganismos, en presencia de oxigeno y nutrientes.
Como los productos finales del metabolismo aerobio son CO2 y H2O, el efluente de una Planta de
Tratamiento biológico aerobio será estable si todos los microorganismos se han separado.
En un ambiente anaerobio, la actividad de los microorganismos depende del oxígeno de la
materia orgánica o de ciertos compuestos inorgánicos, como nitritos, nitratos y sulfatos. Muchas
27
bacterias pueden utilizar nitritos y nitratos en lugar de oxigeno disuelto, los sulfatos actuar como
fuente de oxigeno para un grupo muy especifico de bacterias.
Las reacciones biológicas pueden dividirse en dos fases: Síntesis y Oxidación.
La fase de síntesis supone la conversión de una parte de la materia orgánica en nuevo
protoplasma celular. Además del carbono, hidrógeno, oxigeno y nitrógeno, el protoplasma
contiene algunos elementos como fósforo, azufre, sodio, potasio, magnesio, calcio hierro y
molibdeno. La mayoría de estos elementos se encuentran solo en trazas en el agua residual;
comúnmente suele faltar nitrógeno y fósforo por lo tanto es necesario adicionarlos al agua
residual para garantizar un buen desarrollo del proceso
Algunas reacciones que intervienen en el proceso de la eliminación de materia orgánica a través
de las bacterias se mencionan más adelante
1.2.3 LODOS ACTIVADOS.
Este proceso fue desarrollado en Inglaterra en 1914 y llamado así porque suponía la
producción de una masa activada de microorganismos capaz de estabilizar un residuo por vía
aerobia. El residuo orgánico se introduce en un reactor donde se mantiene un cultivo bacteriano
aerobio en suspensión. El contenido del reactor se consigue mediante el uso de difusores o
aereadores mecánicos que, a su vez, sirven para mantener el líquido mezcla en un régimen de
mezcla completa.
Tras un periodo de tiempo, la mezcla de las nuevas células con las viejas se conduce a un
tanque de sedimentación donde las células se separan del agua residual tratada. Una parte de las
células sedimentadas es recirculada para mantener la concentración deseada de organismos en el
reactor, mientras que otra es purgada del sistema. La fracción purgada corresponde al crecimiento
28
del tejido celular. El nivel al cual se debe mantener la masa biológica depende de la eficiencia
deseada del tratamiento y de otras consideraciones referentes a la cinética del crecimiento. En la
actualidad se utilizan muchas versiones del proceso original, pero todas ellas son iguales.
1.2.3.1 VARIANTES DEL SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS
La oxigenación es muy importante en el proceso de lodos activados ya que los organismos degradadores
de materia orgánica lo necesitan para desarrollarse y lograr un mejor tratamiento de las corrientes, por
recurren a diferentes maneras para distribuir el oxigeno y procurar que siempre exista la cantidad
adecuada de oxigeno disuelto.
MEZCLA COMPLETA
En el proceso de mezcla completa, el contenido total del tanque de aeración se mezcla
completa y uniformemente. La alimentación de residuos orgánicos se mezcla con toda la masa
microbiana en lugar de hacerlo con solo una fracción como en el caso del proceso convencional,
esto trae como consecuencia que el tanque de aeración se utiliza también como tanque de
regulación para reducir las fluctuaciones en las características de la alimentación.
AIREACIÓN ESCALONADA
Mediante la aeración escalonada la carga orgánica se distribuye en distintos puntos del tanque de
aeración en lugar de hacerlo en uno solo, el cual se subdivide por medio de deflectores en cuatro
canales paralelos, o más. Cada canal es una fase o escalón individual y las distintas fases se
conectan entre sí en serie.
29
AIREACIÓN GRADUADA
La demanda de oxigeno en el tanque de aeración no es uniforme en todo el aparato, sino
que más bien decrece a lo largo de longitud. En los sistemas de aeración, su número disminuye en
el extremo del mismo, para equilibrar el suministro con la demanda de oxigeno.
ESTABILIZACIÓN POR CONTACTO
En el proceso de estabilización por contacto se aprovecha la capacidad de absorción de los
lodos activados, se divide en dos etapas. La primera es la fase de absorción que requiere de 20 a
40 minutos y durante la misma la mayor parte de la materia orgánica coloidal y disuelta se
absorbe en el lodo activado. En la segunda etapa se produce la oxidación y la materia orgánica
absorbida se asimila metabólicamente. El agua residual decantada se mezcla con el lodo activado
de retorno y se someten a aeración en el tanque de contacto durante 20-40 min., la materia
orgánica se absorbe en el floculo de lodo. A continuación se separa el lodo por sedimentación y
se somete a aeración durante 3 a 5 hrs. en el sedimentador.
AERACIÓN PROLONGADA
En este proceso se trabaja en la zona de metabolismo endógeno de la curva de
crecimiento, que requiere una carga orgánica relativamente pequeña y periodos de aeración
largos. Se suele utilizar el proceso para plantas pequeñas.
DE CAPACIDAD ELEVADA
Este tipo de proceso satisface la necesidad de un tratamiento parcial. Se ha comprobado
que cuando la masa microbiana se mantiene en el tanque de aeración durante un período de
tiempo 1/5 a 1/10 más corto que en el proceso convencional, las bacterias estabilizan
30
aproximadamente 2/3 de la materia orgánica en 1/3 aproximadamente del tiempo requerido en
aquel proceso.
AEREACIÓN CON OXÍGENO PURO
En este sistema se utiliza oxígeno puro o bien aire enriquecido como variante del proceso
convencional. Los autores de estos procesos, consideran menor consumo de energía, menor
producción de lodos con mejores características de sedimentación y menor tamaño de la
instalación.
PROCESO CONVENCIONAL
El proceso convencional se lleva a cabo en un depósito o reactor biológico, seguido de
otro de sedimentación. En el reactor (tanque de licor mezclado), la cinética corresponde a un flujo
pistón, el periodo de aeración suele ser de 6 hrs. El lodo activado separado en el sedimentador se
recircula (de 25 al 50% respecto al influente) al reactor biológico para mantener una
concentración uniforme del mismo. Como el lodo activado crece gradualmente, es necesario
purgar el exceso. En la mayoría de los sistemas de lodos activados la purga se lleva a cabo en
forma continua a un caudal relativamente pequeño.
COMPOSICIÓN DE UN FLOCULO ACTIVADO
Estructuralmente el floculo de lodo activado está constituido de sustancias orgánicas e
inorgánicas y fisiológicamente incluye células bacterianas vivientes y no vivientes.
Los sólidos activados representan la fracción de sólidos suspendidos del licor mezclado, que
consiste de microorganismos vivientes. Los análisis de los microorganismos demuestran que
están constituidos aproximadamente de un 80 % de agua y 20 % de materia seca, de la cual el
31
90% es orgánico y el 10% inorgánica. Desafortunadamente no se tienen métodos rápidos y
seguros para determinar la concentración de éstos sólidos activos en una biomasa de lodos
activados dados. Lo más aproximado que se tiene para ésta determinación es la medición de los
sólidos volátiles. La parte inerte o no volátil, se incrementa en porcentaje según se incremente la
edad de lodos, No obstante, bajo operación estable, cuando la carga y el drenado de lodos se
conserva constante, se puede asumir una correlación constante razonable entre los sólidos totales,
los sólidos volátiles y los sólidos activos.
TIPOS DE LODOS ACTIVADOS
Se clasifican de acuerdo a diferentes características en los siguientes tipos:
1.- Convencional
Tiempo de residencia de los microorganismos: 5 a 15 días
Relación F / M: 0.2 – 0.4 (kg DBO aplicada / kg SSVLM x día)
Carga Volumétrica: 0.32 – 0.64 (kg DBO aplicada / m3 x día)
Sólidos Suspendidos Volátiles Aereador: 1,500 – 3,000 mg/lt
Tiempo de Residencia Hidráulico: 4 – 8 horas
Qr / Q: 0.25 – 0.75
2.- Mezcla Completa
Tiempo de residencia de los microorganismos: 5 a 15 días
Relación F / M: 0.2 – 0.6 (kg DBO aplicada / kg SSVLM x día)
Carga Volumétrica: 0.8 – 1.92 (kg DBO aplicada / m3 x día)
32
Sólidos Suspendidos Volátiles Aereador: 2,500 – 4,000 mg/lt
Tiempo de Residencia Hidráulico: 3 – 5 horas
Qr / Q: 0.25 – 1.00
3.- Aereación Prolongada
Tiempo de residencia de los microorganismos: 20 a 30 días
Relación F / M: 0.05 – 0.15 (kg DBO aplicada / kg SSVLM x día)
Carga Volumétrica: 0.16 – 0.40 (kg DBO aplicada / m3 x día)
Sólidos Suspendidos Volátiles Aereador: 3,000 – 6,000 mg/lt
Tiempo de Residencia Hidráulico: 18 – 36 horas
Qr / Q: 0.5 – 1.50
4.- Aereación de Alta Carga
Tiempo de residencia de los microorganismos: 5 a 10 días
Relación F / M: 0.4 – 1.5 (kg DBO aplicada / kg SSVLM x día)
Carga Volumétrica: 1.6 – 3.0 (kg DBO aplicada / m3 x día)
Sólidos Suspendidos Volátiles Aereador: 4,000 – 10,000 mg/lt
Tiempo de Residencia Hidráulico: 2 – 4 horas
Qr / Q: 1.0 – 5.0
5.- Oxígeno Puro
33
Tiempo de residencia de los microorganismos: 3 a 10 días
Relación F / M: 0.25 – 1.0 (kg DBO aplicada / kg SSVLM x día)
Carga Volumétrica: 1,6 – 3,2 (kg DBO aplicada / m3 x día)
Sólidos Suspendidos Volátiles Aereador: 2,000 – 5,000 mg/lt
Tiempo de Residencia Hidráulico: 1 – 3 horas
Qr / Q: 0.25 – 0.5
6.- Zanja de Oxidación
Tiempo de residencia de los microorganismos: 10 a 30 días
Relación F / M: 0.05 – 0.30 (kg DBO aplicada / kg SSVLM x día)
Carga Volumétrica: 0,08 – 0,48 (kg DBO aplicada / m3 x día)
Sólidos Suspendidos Volátiles Aereador: 3,000 – 6,000 mg/lt
Tiempo de Residencia Hidráulico: 8 – 36 horas
Qr / Q: 0.75 – 1.5
VARIABLES DEL TRATAMIENTO SECUNDARIO
No se puede controlar lo que no se puede medir, en el tratamiento secundario es necesario que las
variables se midan y posteriormente se controlen para proporcionar el ambiente óptimo para las
bacterias, ya que es mediante ellas que ocurre la degradación de la materia orgánica de las
corrientes a tratar. Los parámetros que nos indican la cantidad de carga orgánica son los
siguientes:
34
1.2.4 DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGENO (DBO) [1]
La Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO), se define como la cantidad de oxigeno
requerido por los microorganismos, para descomponer u oxidar la materia orgánica de desecho
bajo condiciones aeróbicas en una forma natural. La prueba de DBO mide la carga contaminante
del agua de desecho en forma de oxígeno que se requerirá si se descargara en las aguas naturales.
Teóricamente se requiere un tiempo indefinido para completar una oxidación biológica de
materia orgánica, pero para todo propósito práctico, la reacción puede considerarme completa en
20 días. Sin embargo, un periodo de 20 días es demasiado largo para esperar los resultados, para
muchas sustancias orgánicas biodegradables, un porcentaje (70—80%) del total del DBO
razonablemente grande se degrada en un periodo de incubación de 5 días, que ha llegado a ser el
más típico o el periodo usado para la determinación de DBO; se usa frecuentemente la notación
DBO5 para distinguir el DBO de 5 días del DBO total.
1.2.5 DEMANDA QUÍMICA DE OXIGENO (DQO)
La demanda química de oxigeno (DQO), es una manera de medir la potencia de un
desecho mediante la oxidación con agentes oxidantes fuertes, más específicamente dicromato de
potasio, bajo condiciones fuertemente ácidas y temperaturas elevadas. En la prueba de DQO
todos los compuestos orgánicos con muy pocas excepciones, son convertidas en dióxido de
carbono y agua sin considerar, si las substancias son biológicamente oxidables. Una de las
limitaciones para medir DQO es su inhabilidad para diferenciar entre la materia orgánica
biológicamente oxidable y biológicamente inerte. En suma, no proporciona ninguna evidencia de
la relación a la cual estas substancias orgánicas son oxidadas por las bacterias bajo condiciones
que existen en la naturaleza. La mejor ventaja de la prueba de DQO es el poco tiempo que
requiere para su evaluación tres horas (comparada con 5 días del DBO). Para muchos tipos de
35
desechos, es posible correlacionar la DQO con la DBO5 cuando ya se ha acumulado experiencia
suficiente. Una vez establecida la correlación, los valores de DQO pueden usarse como una
buena ventaja, para la operación y control de las plantas de tratamiento.
CARBÓN ORGÁNICO TOTAL
El carbón orgánico total (COT), a diferencia de la DBO y la DQO que mide el O2
equivalente de la materia orgánica, el COT determina el contenido de la materia orgánica, en una
muestra de agua. La prueba se efectúa mediante la inyección de una cantidad de muestra en un
horno de alta temperatura. El carbón orgánico se oxida en dióxido de carbono en presencia de un
catalizador y de rayos infrarrojos. La prueba se puede efectuar bastante rápido, en un lapso de
minutos y se está convirtiendo en el más popular entre el laboratorio y la gente del control del
proceso.
CARGA (F/M)
La carga es definida generalmente como la cantidad de substrato (DQO, DBO5 ó COT)
suministrado diariamente a una cantidad dada de sólidos de lodos activados. Esta expresión
comúnmente se refiere a la relación de alimentación a microorganismos, o simplemente F/M,
expresada en kilogramo de alimento por kilogramo de microorganismos por día.
.1......................*
/ThSSV
DQOMF
EN DONDE:
F/M = relación de la cantidad de alimento entre la cantidad de organismos. (Usado para controlar
el proceso de lodos activados) días-1
DQO = Demanda bioquímica de oxígeno (mg/lt)
36
SSV = sólidos volátiles disueltos (mg/lt)
Th = tiempo hidráulico
El tiempo hidráulico viene dado por la ecuación:
1.1.......................F
VTh
V= volumen del reactor F= Flujo de entrada
Cada planta de tratamiento de efluentes tiene su propio intervalo de capacidad y no debe salirse
de éste. Cuando un tanque o pileta de aireación recibe más carga de material orgánico que el de
su capacidad máxima de diseño, se dice que está sobrecargado, si un tanque de aireación recibe
menos material orgánico que su capacidad mínima de diseño se dice que está ―poco cargado‖.
Generalmente las plantas trabajan mejor a una capacidad promedio, esto es, que se encuentren
entre la carga mínima y la máxima.
El valor de la relación F/M recomendado deber oscilar entre 0.2 y 0.5 d-1
.
1.12 PH Y SU EFECTO
El pH es un término usado universalmente para expresar la intensidad de acidez o
causticidad (alcalinidad) de una sustancia. La escala de pH usualmente es de 0 a 14, el pH igual a
7, representa neutralidad absoluta.
Las condiciones ácidas aumentan según disminuyen los valores de pH y las condiciones alcalinas
aumentan según aumentan los valores del pH.
El pH en el licor mezclado, deberá mantenerse muy cerca del rango neutral, puesto que
esto representa el más confortable ambiente de trabajo para las bacterias. Aunque el crecimiento
ocurrirá a valores de pH desde 6 hasta 9, hace que la relación se reduzca. La utilización del
37
oxigeno es óptima a pH entre 7 y 8, y baja según el pH se sale de éste rango óptimo‖, y la
eliminación orgánica sigue la misma técnica.
Cuando un sistema de lodos activados es operado fuera de su rango óptimo, puede aumentarse el
riesgo de desarrollar formas de organismos indeseables y consecuentemente, los problemas de
abultamiento de lodo. Los molestos organismos filamentosos, tienen la habilidad para crecer en
ambientes de pH relativamente bajo. El rango de pH óptimo para los organismos indeseables está
entre 5 y 6. La tolerancia y preferencia de pH bajo, dan a los organismos filamentosos una
ventaja de sobrecrecimiento sobre los formadores de flóculos y eventualmente conducen el
sistema a donde las variaciones de pH son frecuentes.
1.13 TEMPERATURA Y SU EFECTO.
La actividad de los microorganismos del lodo activado aumenta con la elevación de
temperatura. En otras palabras, requiere más kilogramo de microorganismos para eliminar un
kilogramo de materia orgánica durante los fríos meses de invierno, que durante los cálidos meses
de verano. Por consiguiente, cuando la temperatura baja, se tiene que aumentar el nivel de SSLM
bajo aereación o disminuir la carga orgánica al sistema. Por ejemplo, una caída de 10 °C en la
temperatura, reducirá la actividad microbiana a la mitad [7]
. La relación de reacción más lenta a
temperaturas más frías, requerirán también un tiempo de recuperación más grande en el caso de
un desequilibrio. Los lodos activados se asientan más difícilmente a temperaturas bajas, debido a
que se aumenta la densidad del agua. Esto da la alternativa para incrementar el nivel de sólidos en
invierno para compensar la actividad lenta por el efecto de la temperatura.
La causa más común para los cambios en la temperatura, es el cambio del clima estacional. Los
cambios de temperatura estacional también crean operaciones inestables para un período de
tiempo, hasta que el proceso pueda reajustarse por sí mismo. Las condiciones inestables
probablemente surjan como el resultado de la pérdida o decadencia en ciertos tipos de
38
organismos existentes en la temperatura anterior y al crecimiento de algunas clases nuevas,
aclimatada a las nuevas temperaturas.
1.2.6 NUTRIENTES [1]
La palabra nutrientes se usa para distinguir aquellos elementos vitales de otros, como el
carbón (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O), que son esenciales para el crecimiento y síntesis de las
células bacterianas. Sin embargo, en muchas ocasiones cuando se mencionan los nutrientes, el
nitrógeno (N) y el fósforo (P) son los macro nutrientes únicamente implicados. Esto es debido a
la importancia relativa en términos de cantidades de demanda, según se compare con los
llamados micro nutriente. El prefijo micro indica que esos nutrientes son necesarios sólo en
trazas. Ellos incluyen azufre (S), potasio (K), sodio (Na), magnesio (Mg), fierro (Fe), cobre (Cu),
cobalto (Co), manganeso (Mn), zinc (Zn), y otros muchos elementos.
Los nutrientes son esenciales en el proceso de crecimiento y reproducción de los
microorganismos del lodo activado, mientras el nitrógeno y el azufre son indispensables en la
formación de proteínas, el fósforo provee la llave para la transferencia de energía y para la
reproducción celular. Todos los micro nutrientes- participan en la síntesis de enzimas o factores
de crecimiento. Por lo consiguiente, todos los nutrientes se deben de derivar del medio ambiente,
un déficit de cualquiera de éstos podría afectar adversamente, y posiblemente limitar el
crecimiento y metabolismo de éstos microorganismos. El empleo de los nutrientes difiere
notablemente en los diferentes tipos de organismos.
39
1.2.7 REACIONES PRINCIPALES DE LA BIODEGRADACION:
A continuación se presentan las ecuaciones que tiene lugar en el proceso de lodos
activados, como se observa, en presencia de oxigeno. Elemento fundamental para la
supervivencia de las bacterias.
pm
Composición molecular estándar de una bacteria: C5H7NO2 113
Composición molecular estándar de la materia orgánica: COHNS 56
ECUACIONES ESTEQUEOMÉTRICAS
- Metabolismo Celular
Materia orgánica + O2 + microorganismos nuevas células + CO2 + H2O
11COHNS +(5/2) O2 + C5 H7 NO2 6CO2 + 2C5 H7 NO2 + 2H2O + minerales
- Metabolismo Energético
Microorganismos + O2 CO2 + NH3 + H2O
C5 H7 NO2 + 5O2 5CO2 + NH3 + 2H2O
40
Cada uno de los microorganismos vivos aeróbicos presentes en el lodo activado necesita O2 para
vivir generar energía y crecer.
Para hacer que los microorganismos aerobios se desarrollen perfectamente saludables se necesita
promover un ambiente rico en oxígeno, manteniendo algo de oxigeno disuelto en el licor
mezclado, debe ser suficiente para sostener a los microorganismos a través del clarificador y su
retorno a las piletas de aereación.
La cantidad de oxígeno requerido en cualquier tiempo dado depende de la carga orgánica
y de la cantidad de sólidos del licor mezclado bajo aereación y se necesita más oxigeno cuando la
carga o sólidos aumenta. La operación normal requiere de suficiente aire para mantener una
concentración de oxigeno disuelto, el oxigeno requerido usualmente debe fluctuar entre 0.5 a 2.0
mg/lt. Se ha sostenido que el oxigeno disuelto arriba de este nivel puede acelerar las actividades
de los microorganismos para lograr la más rápida relación de eliminación orgánica y para
producir un mejor asentamiento de lodos bien compactado. No obstante, estas demandas no están
respaldadas con la adecuada evidencia experimental. Se cree que la concentración de oxigeno
disuelto arriba de 2 mg/lt no mejora materialmente la actividad de los microorganismos y la
eliminación orgánica subsecuente, y solamente tiene como resultado una operación
antieconómica. Los 2 mg/lt proveerán también el margen de seguridad necesario para ciertas
áreas de la pileta de aereación que no pueden ser mezcladas adecuadamente o aereadas.
41
CAPITULO 2
MICROORGANISMOS
FILAMENTOSOS, SU
CRECIMIENTO Y CONTROL DEL
BULKING FILAMENTOSO
42
MICROORGANISMOS FILAMENTOSOS, CRECIMIENTO Y CONTROL DEL
BULKING FILAMENTOSO
2.1 ANTECEDENTES
El problema de filamentosos en las plantas de tratamiento ha sido estudiado por muchos
autores y analizado en diferentes plantas de proceso, las cuales siguen una metodología de
estudio para la identificación de bacterias filamentosas presentes. Tal es el caso de 3 plantas
ubicadas en la zona industrial Toluca-Lerma. Por varios meses, se estuvo observando el
comportamiento de los filamentosos de acuerdo a la época del año y de las descargas recibidas, y
encontraron que el Micrhotix Parvicella fue el que predomino precisamente en la recirculación de
lodos, ya que es ahí en donde hay menos demanda de oxígeno, lo que es un buen medio para que
se genere este microorganismo. Pero no solo la ausencia de oxigeno es la causa de la formación
del bulking filamentoso.
2.2 FILAMENTOSOS Y SU DESARROLLO [5]
En los fangos activos, la depuración biológica la llevan a cabo enormes cantidades de
microorganismos que se agrupan en flóculos. Estos microorganismos son en su mayor parte
bacterias heterótrofas que utilizan la contaminación orgánica para formar biomasa celular nueva
y reproducirse.
Los flóculos biológicos después de salir del reactor biológico se separan del agua depurada en el
decantador secundario. La cantidad de flóculos que entran en el decantador es muy grande por lo
que cualquier interferencia por sobrecarga hidráulica, cambio de densidad del flóculo, corrientes
de convección, o interferencias biológicas hace que este flóculo se fugue del decantador con el
efluente o bien ascienda a la superficie, quedando allí retenido por la contención de flotantes.
43
Si bien la mayor parte de las bacterias que forman la biomasa que depura el agua residual en el
tratamiento biológico tiene forma unicelular, hay algunos microorganismos que presentan
sucesiones de células de forma que aparecen filamentos.
Si la cantidad de filamentos es alta y el proceso de depuración es por fangos activados podemos
encontrarnos con dos tipos de problemas biológicos:
1) Abultamiento filamentoso o Bulking
Los filamentos interfieren en la compactación del flóculo en el decantador secundario
2) Espumamiento biológico o Foaming
Los microorganismos filamentosos producen una espesa espuma coloreada (en colores del blanco
al marrón) y en muchos casos abundantes flotantes en decantación secundaria.
El abultamiento (bulking) es un término empleado cuando los organismos del tipo
filamentoso abundan, es decir, cuando existen en mayoría en comparación con las bacterias
formadoras de flóculos, ya que si bien es en problema, solo lo son cuando están en mayoría, ya
que impiden la sedimentación rápida, pero cuando existen en minoría, son hasta benéficas para la
sedimentación, ya que aportan a la red, peso, lo cual provoca que la sedimentación del lodo sea
más rápida. A continuación se presenta en esquemas lo que sucede cuando existe una buena
sedimentación (figura 1) y cuando se presenta el bulking por la excesiva cantidad de
microorganismos filamentosos (figura 2).
44
Buena formación de flóculos:
Figura 1. Sedimentación de flóculos
En la figura 1 se observa como la bacteria después de cumplir con su función, que es la
degradación de la materia orgánica disponible en el efluente, produce floculos, los cuales
sedimentan libremente ya que son mas densos que el agua. Esto es lo que debe pasar en una
planta de tratamiento que trabaja en condiciones normales, libre del predominio de los
microoganismos filamentosos, o incluso, con la presencia de los filamentosos siempre y cuando
no existan en mayoría. La presencia de microorganismos filamentosos en minoría proporcionan
una masa con mayor peso que produce que la sedimentación de los flóculos sea mejor y por
supuesto más rápida.
La bacteria vive y crece, atrapada en un
“resistol” polisacárido que las obliga a
formar flóculos
Durante la sedimentación los flóculos se
unen y caen debido a que son más densos
que el agua Sedimentación
Flóculos
Barras
Cocci
Bacterias
libres
45
Formación del bulking filamentoso
Figura 2. Formación del abultamiento (bulking) filamentoso
A diferencia de la figura 1, en esta figura aparecen ya los organismos filamentosos en
abundancia, lo cual provoca que la bacteria formadora de flóculos se adhiera a ellos impidiendo
la sedimentación, para erradicar esto se recurre a la adición de cloro como método más usual, sin
embargo no es lo recomendable por la acción bactericida del cloro, ya que si bien se elimina el
microorganismo filamentoso, también se mueren las bacterias formadoras del flóculos, lo cual no
es conveniente para que el sistema de lodos activados funcione efectivamente.
Los flóculos se retienen y son
imposibilitados para sedimentar debido a
los microorganismos filamentosos
Sedimentación
Flóculos
Barras Cocci
Filamentosos
Bacterias libres
46
2.3 METODOS PARA IDENTIFICACIÓN DE MICROORGANISMOS [3]
Mediante el empleo del microscopio óptico y una serie de técnicas de cultivo, medición y
tinción podemos identificar los microorganismos filamentosos. Si aplicamos alguna rutina de
recuento podemos además cuantificar su presencia y relacionarla con los efectos que producen en
el tratamiento biológico.
Para poder identificar microorganismos filamentosos necesitamos de forma
imprescindible un microscopio binocular equipado con contraste de fases y unos objetivos de, al
menos, 10x y 100x oil. Gracias a esta modificación de la iluminación se ponen de manifiesto los
detalles estructurales de las células bacterianas que contribuyen a la identificación.
Si contamos con un equipo microfotográfico, podemos llevar un histórico de lo que vemos y
ayudarnos de las fotografías en consultas con otras personas que tengan más experiencia en la
identificación. Para poder medir necesitamos ayudarnos de un ocular de medida y en algunos
casos de un portaobjetos patrón con un milímetro grabado.
2.4 CARACTERISTICAS MORFOLOGICAS DE LOS FILAMENTOSOS
Observando a gran aumento tenemos que buscar las características morfológicas que distinguen a
los diferentes filamentos tales como:
Ramificaciones: verdadera o falsa
Movilidad: si o no
Forma del filamento: recto, ligeramente curvado, torcido, cadena irregular de células,
irregularmente enrollados, miceliar.
Color del filamento: transparente, medio, oscuro
Situación del filamento: en el interior del flóculo, saliendo hacia el licor exterior, libre en
el licor
47
Crecimiento epifítico: no, si (cuantificar si mucho o poco)
Vaina: si, no
Septos celulares: si, no
Dimensiones del filamento
Forma de las células: cuadradas, rectangulares, ovales, tonel, discoide, extremos
redondeados, esféricas, no observables
Dimensiones de las células
Granulos de azufre: in situ y tras la prueba del azufre
Presencia de rosetas, gonidios, etc
2.5 TINCIONES EMPLEADAS PARA LA IDENTIFICACION DE
MICROORGANISMOS
Con el fin de monitorear la salud de la biomasa, la identificación de los filamentosos debe
ser una herramienta cuando se sospecha de la presencia de los mismos.
La identificación de filamentosos es usada para identificar el tipo de filamentoso presente y por
consiguiente encontrar la causa y las correcciones pertinentes. La adición de cloro, solo matara
temporalmente a los filamentosos, pero técnicamente no es recomendable.
Para ayudar en la identificación morfológica de los filamentos se realizan una serie de tinciones
tales como:
Tinción de Gram: positiva, negativa, variable
Tinción de Neisser: para el filamento positiva o negativa, y en ese caso puede haber
gránulos positivos
Tinción de PHB
Tinción de vainas
48
2.5.1 TINCION DE GRAM
La tinción de Gram o coloración Gram es un tipo de tinción diferencial empleado en
microbiología para la visualización de bacterias, sobre todo en muestras clínicas. Debe su nombre
al bacteriólogo danés Christian Gram, que desarrolló la técnica en 1884. Se utiliza tanto para
poder referirse a la morfología celular bacteriana como para poder realizar una primera
aproximación a la diferenciación bacteriana, considerándose Bacteria Gram positiva a las
bacterias que se visualizan de color violeta y Bacteria Gram negativa a las que se visualizan de
color rosa.
Procedimiento
Recoger muestras
Hacer el extendido en espiral
Dejar secar a temperatura ambiente
Fijar la muestra con metanol durante un minuto o al calor (flameado 3 veces aprox.)
Agregar azul violeta (cristal violeta o violeta de genciana) y esperar 1 min. Este tinte (al
final del procedimieto) dejará de color morado solo a las bacterias Gram positivas.
Enjuagar con agua.
Agregar lugol y esperar 30 segundos
Enjuagar con agua.
Agregar alcohol acetona y esperar 15 s
Enjuagar con agua.
Agregar safranina y esperar 1 min Este tinte dejará de color rosado las bacterias Gram
negativas.
Enjuagar con agua.
Para observar al microscopio óptico es conveniente hacerlo a 100x con aceite de inmersión
49
2.6 MICROORGANISMOS FILAMENTOSOS [3]
Actualmente los microorganismos filamentosos se identifican en base a características
morfológicas rápidas de llevar a cabo en el laboratorio de una E.D.A.R. Los tipos habitualmente
identificados son una treintena en todo el mundo, de los que unos pocos son muy habituales y
otros raros de encontrar en número apreciable.
Unos se denominan por medio del género, otros se incluyen especie y en muchos se usa una
denominación alfanumérica.
Nombres de los microorganismos filamentosos
Bacillus
Beggiatoa
Cianobacterias
Flexibacter
Haliscomenobacter hydrossis
Hongos filamentosos
Microthrix parvicella
G.A.L.O (Organismos parecidos a Gordona amarae) o N.A.L.O. (Organismos parecidos a
Nocardia amarae)
Nostocoida limicola I, II, y III
Sphaerotilus natans
Streptococcus
Thiotrix I y II
Tipo 0041
Tipo 0092
Tipo 0211
Tipo 021N
Tipo 0411
Tipo 0581
Tipo 0675
Tipo 0803
Tipo 0914
Tipo 0961
Tipo 1701
Tipo 1702
50
Tipo 1851
Tipo 1852
Tipo 1863
Los microorganismos filamentosos existen siempre en los efluentes, de hecho, en bajas
proporciones no generan problemas, al contrario, debido a que forman una maya, las bacterias
floculadoras se le adhieren y se produce una masa con mayor peso que propicia una
sedimentación más rápida.
2.6.1 MICRORGANISMOS FILAMENTOSOS E IMPORTANCIA PARA EL
SISTEMA DE LOSDOS ACTIVADOS [9]
Los organismos filamentosos son el tipo de bacteria que pueden ser encontrados en un
sistema de tratamiento de agua, funcionan de manera similar que las bacterias formadoras de
flóculos que degradan DBO muy bien, en pequeñas cantidades son benéficos para la formación
de biomasa, los filamentosos pueden agregar estabilidad a las estructuras formadas por las
bacterias floculadoras que previene que el floculo se rompa por la acción de la aireación a la
transferencia de agua.
En grandes cantidades, los microorganismos filamentosos pueden causar muchos problemas.
Estos microorganismos crecen en colonias.
ASPECTOS POSITIVOS DE LOS MICROORGANISMO FILAMENTOSOS
Son buenos removedores de DBO.
Agregan un soporte rígido a la red formada por las bacterias floculadoras.
Ayudan a la sedimentación del floculo cuando están en cantidades pequeñas.
51
ASPECTOS NEGATIVOS DE LOS MICROORGANISMOS FILAMENTOSOS
Cuando predominan, pueden interferir con la compactación y de los lodos activados
causando problemas de bulking.
Pueden afectar el índice volumétrico de lodos (IVL)
Si predominan, causan una pobre sedimentación.
Pueden incrementar la producción de sólidos
2.7 CONTROL DEL BULKING FILAMENTOSO [6]
Métodos selectivos
Selección cinética
La cinética de crecimiento de los microorganismos en medios con un único sustrato se
corresponde con una cinética de tipo Monod. La constante de semisaturación de este tipo de
cinética refleja la afinidad de un microorganismo concreto a un sustrato, nutriente, etc., de modo
que cuanto menor es el valor de la constante de semisaturación mayor es la afinidad que muestra
la bacteria hacia el sustrato.
La selección cinética se basa en la dependencia de la tasa de crecimiento que presentan distintos
microorganismos en un cultivo mixto respecto a las condiciones de operación. Su objetivo es
adecuar la operación de la estación depuradora de aguas residuales (EDAR) de modo que se
favorezca el crecimiento de los microorganismos floculantes.
Los principales factores que determinan el tipo de microorganismo, floculantes o filamentosos,
cuyo crecimiento se ve favorecido son los siguientes:
52
1.- Composición del agua residual: las bacterias filamentosas tienen un mayor acceso a la materia
orgánica fácilmente biodegradable, mientras que las floculantes acceden con mayor facilidad a
los productos de la hidrólisis.
2.- Edad del fango: los microorganismos filamentosos presentan, en general, una lenta cinética y,
por lo tanto, se ven favorecidos por valores altos de los tiempos de retención celular (SRT).
3.- Concentración de sustrato en el reactor: se presentan dos casos:
En el primero, conocido como crecimiento equilibrado, el sustrato es el único factor limitante del
crecimiento, por lo que la eliminación del sustrato se produce de forma paralela al crecimiento
bacteriano. En este caso, los microorganismos filamentosos presentan, en general, una mayor
afinidad por el sustrato en condiciones de baja concentración de sustrato, mientras que las
floculantes presentan una mayor afinidad a altas concentraciones de sustrato.
Cuando la concentración de sustrato es elevada se produce una eliminación rápida del mismo con
bajos consumos de oxígeno, lo que se conoce como crecimiento no-equilibrado. Grau supone que
parte del sustrato es almacenado por el microorganismo en lugar de ser empleado para el
crecimiento bacteriano. Las bacterias floculantes presentan una mayor capacidad de
almacenamiento de sustrato, especialmente tras ser sometidas a un periodo de inanición que
regenera su capacidad de almacenamiento. La materia orgánica almacenada de esta forma
favorece su supervivencia posterior en condiciones de baja concentración de sustrato.
Nivel de oxígeno disuelto: algunas bacterias filamentosas presentan una alta afinidad por el
oxígeno con niveles de oxígeno bajos.
4.- Concentración de nutrientes: la falta de nutrientes puede dar lugar a la aparición de bulking
viscoso y filamentoso.
5.- pH y temperatura: en condiciones de pH bajo pueden aparecer hongos, mientras que las
variaciones de temperatura influyen en el tipo de bacteria filamentosa dominante en el fango y las
espumas.
53
Las diferentes cinéticas de crecimiento de las bacterias filamentosas y floculantes dan
lugar a los siguientes métodos de selección cinética:
Disminución de la edad del fango: esta estrategia debe aplicarse con precaución en plantas con
nitrificación, debido a la lenta cinética de las bacterias nitrificantes.
Compartimentación del reactor y sistemas de flujo pistón: la presencia de un gradiente de sustrato
favorece un crecimiento no equilibrado con acumulación de sustrato y mayores concentraciones
en la cabecera de la EDAR, lo que beneficia el crecimiento de las bacterias floculantes, aunque
no impide totalmente el de algunas bacterias filamentosas.
Zonas selectoras. Son pequeños reactores en los que el fango activo (generalmente proveniente
de la recirculación de fangos) entra en contacto con el influente, estableciéndose una zona de alta
concentración de sustrato fácilmente biodegradable y corto tiempo de residencia. Pueden ser
reactores óxicos o anóxicos
Zonas de regeneración: la exposición de la biomasa a un periodo suficiente de inanición elimina
las bacterias filamentosas con alta energía de mantenimiento y regenera la capacidad de
almacenamiento de las bacterias floculantes. Microthrix parvicella es capaz asimismo de
almacenar sustrato, por lo que es uno de los microorganismos filamentosos más habituales.
Mantenimiento de valores adecuados del nivel de oxígeno y pH.
Selección metabólica
La base de este método es la incapacidad de algunas bacterias filamentosas para obtener
energía en más de un proceso metabólico. Así, las bacterias cuyo crecimiento se produce
54
únicamente en condiciones óxicas pueden ser eliminadas mediante zonas anóxicas y/o
anaerobias.
A diferencia de la selección cinética, la selección metabólica no favorece el crecimiento de
floculantes, sino que elimina las bacterias filamentosas.
(tipo 021N, Leucothrix spp, Thiothrix spp, Sphaerotilus natans, Haliscomenobacter hydrossis,
tipos 1701, 0041 y 0675)
Métodos no selectivos
Los métodos no-selectivos tratan de mitigar los efectos del bulking filamentoso. Su efecto
es temporal ya que no eliminan las causas del crecimiento excesivo de bacterias filamentosas, por
lo que su uso está recomendado principalmente en casos de aparición súbita o esporádica del
bulking a causa de variaciones en el agua residual influente o en aquellos en los que esté en
riesgo la calidad del efluente.
Los principales métodos no-selectivos de control de la proliferación de microorganismos
filamentosos son los siguientes:
Algunos métodos no-selectivos aprovechan la mayor exposición de las bacterias filamentosas
ante la presencia de tóxicos (como cloro, peróxido de hidrógeno u ozono) para eliminarlas de la
biocenosis del fango.
Adición de polímeros para mejorar la cohesión de los flóculos
Adición de coagulantes o fango primario a fin de aumentar el peso de los flóculos.
55
CAPITULO 3
ANÁLISIS DE LA PRESENCIA DE
MICOORGANISMOS
FILAMENTOSOS
56
ANALISIS DE LA PRESENCIA DE MICROORGANIMOS FILAMENTOSOS
En este último capítulo, se desarrolla la investigación de los microorganismos
filamentosos, una vez comprendido la existencia de estos en los lodos activados y los métodos
para la investigación, se procedió a aplicarlos. Previamente, en los bioreactores se notó la
presencia de un problema, ya que la sedimentación no estaba siendo la adecuada. Un parámetro
que nos indica la presencia de filamentosos en los bioreactores es la relación F/M, dicho
parámetro nos muestra la relación entre la cantidad de materia orgánica disponible y la cantidad
de microorganismos que pueden degradar dicha materia. Cuando el valor de dicho parámetro que
generalmente oscila entre 0.2 y 0.5 dias-1 varia, es ahí donde se da la formación de los
organismos filamentosos. Cuando la relación F/M es baja, las bacterias no tienen el suficiente
alimento para subsistir y su respiración se vuelve endógena, originando con ello residuos que
flotan en el agua y la sedimentación se vuelve menor. A continuación se presentan unas gráficas
representativas que indican el comportamiento de la F/M en el año 2007 cuando se tuvo el mayor
problema del bulking filamentoso.
3.1 COMPORTAMIENTO DE LA F/M EN LOS BIOREACTORES DE LA
PLANTA DE TRATAMIENTO
Los problemas que el bulking filamentoso ocasiona, se pueden notar a simple vista en los
clarificadores y las consecuencias en las descargas. En la planta de tratamiento de efluentes se
observó la nula sedimentabilidad en las muestras tomadas diariamente de cada uno de los
bioreactores, por lo que realizaron graficas mensuales de la relación F/M para analizar las
variaciones que provocaron el desarrollo de microorganismos filamentosos.
57
Grafica tomada del mes de marzo del 2007 de cada uno de los bioreactores de la planta
Gráfica 1
La relación F/M es una variable importante a considerar en la formación del bulking
filamentoso, esta nos indica la relación alimento-microorganismos, y evidentemente se debe
mantener en proporciones específicas, las variaciones bruscas de esta variable propician a la
generación de filamentosos.
La fórmula que nos indica un valor de F/M y con la cual podemos observar como las variaciones
de una variable afecta la buena sedimentabilidad es:
1................*
/ThSSV
DQOMF
1.1..........F
VTh
De la fórmula 1 podemos observar que la F/M crece en proporción directa con el aumento de la
DQO, y es inversamente proporcional al tiempo hidráulico. Mientras mayor sea el tiempo
58
hidráulico, la F/M tendrá valores menores. Asimismo, el aumento de la DQO en los efluentes
ocasionará que la relación F/M aumente. En otras palabras, si la cantidad de alimento es
demasiada en comparación con los microorganismos, estos estarán imposibilitados para
degradarla toda, por lo que los valores de la F/M aumentarán generando bulking filamentoso.
Gráfica 2
En la gráfica 2 se observa que la F/M se mantuvo en rango la mayoría de los días en el
mes, lo cual es benéfico, ya que si la F/M es menor de 0.2 o mayor de 0.5, el bulking filamentoso
se presenta. Presentándose más por valores elevados de F/M, ya que los valores menores de 0.2
lo que generan son capsulas muy ligeras que se resisten a la sedimentación resultado de una
respiración endógena [1]
.
Es importante mencionar que si durante el mes se logra mantener la relación F/M es porque se
tiene en las cámaras de los bioreactores las condiciones necesarias para mantener a los
microorganismos degradando materia orgánica sin problemas, esto es, el ph fue adecuado, l más
próximo al valor neutro, la oxigenación fue la correcta, la adición de nutrientes fue adecuada etc.
Las dos gráficas (1 y 2) fueron tomadas del mes de marzo y se puede notar que las variaciones
59
del bioreactor A y del bioreactor B son extremas, ya que en uno se mantuvo estable y en el otro
fue un caos la sedimentación, esto se debió a las causas anteriormente mencionadas, las
corrientes tienen composiciones variadas en cada uno de los bioreactores y por ende requieren
que se traten de manera diferente en cada uno de ellos.
La época del año es otra variable que se debe considerar, ya que la temperatura también modifica
las condiciones en las que las bacterias trabajan, por ello, es necesario realizar los ajustes
necesarios de aireación a través de los sopladores ya que si bien proporcionan el oxigeno, muy
necesario para las bacterias, puede ser que la corriente de aire venga muy caliente y aunado a ello
la temperatura ambiental, dará un resultado propicio para la formación de bacterias filamentosas.
Grafica 3
La gráfica 3, muestra que la F/M anduvo muy por debajo del rango óptimo, los problemas
operativos fueron mayores, y la formación de bulking evidentemente se dio. Esto se produjo por
la excesiva cantidad de alimento suministrado a los microorganismos, los cuales se encontraban
muy por debajo de la relación alimento-microorganismo, al ser deficiente la cantidad de alimento
el microorganismo se ve obligado a vivir bajo el sistema de respiración endógena.[1]
60
Las condiciones de temperatura, oxigenación, pH, etc, no fueron controladas a tiempo y por ello
se vio a lo largo del mes la formación de microorganismos filamentosos trayendo consigo
grandes problemas en la operación de la planta.
3.2 INVESTIGANDO A LOS MICROORGANISMOS
Las fotografías encontradas en la literatura fueron de gran utilidad para empezar a realizar
las identificaciones, ya que a través de un comparativo obtenía un aproximado de que especies se
podrían encontrar en la planta.
Identificación de microorganismos:
La primera identificación se realizó en los laboratorios de la planta Celanese.
Dicha identificación se realizó siguiendo la metodología que propone Gram (tinción de Gram)
Un día antes de la identificación se tomaron las muestras y se mantuvieron a una temperatura de
10ºC, la toma de muestras se hizo de las cámaras de los bioreactores y del cárcamo recirculador
de lodos.
Para hacer la identificación es necesario contar con una zona aséptica, por lo que se limpia muy
bien la mesa en donde se vaya a trabajar con alcohol, se colocan dos mecheros con una
separación aproximada de 60 cm, las muestras en tubos de ensayo deben estar en medio de los
dos mecheros, se deja un espacio suficiente para maniobrar a la hora de realizar el frotis.
El frotis se realiza con un cubrebocas para no contaminar la zona, se coloca el asa de platino a la
flama para que se caliente y posteriormente se introduce a la muestra contenida en los tubos de
ensayo, la pequeña porción tomada se coloca en un cubre objetos que contiene una gota de agua
destilada, con la misma asa se esparce la muestra en la gota procurando que no abarque
demasiada área.
61
Una vez hecho esto, con movimientos circulatorios, el cubreobjetos se pasa a través de la flama
para que la masa de agua con la muestra se seque, esto se debe hacer con cuidado para que no se
derrame la gota ni quemarse con la flama.
Cuando el agua se evapora al pasar por la flama, deja un espectro (frotis) en donde
posteriormente se añaden ciertos componentes para ser identificados en un microscopio de 100
aumentos (mínimo).
Una vez hecho el frotis, se añade violeta de genciana un minuto y se enjuaga con agua destilada,
poco a poco y lentamente, a continuación se agrega solución de gram (1 parte de yodo, 2 partes
de yoduro potásico y 300 partes de agua, pasando un minuto, se enjuaga con agua destilada,
posteriormente se agrega alcohol etílico se enjuaga con agua destilada y se obtiene la tinción de
Gram para ser examinada en el microscopio.
En el microscopio se debe colocar a la muestra aceite de inmersión para lograr una mayor
apreciación de las poblaciones de microorganismos presentes.
La tinción de gran da como resultado el Gram negativo y el Gram positivo, las bacterias que se
tiñen de rojo son gran negativo y las que se tiñen de azul, gran positivo.
El cristal violeta (colorante catiónico) penetra en todas las células bacterianas (tanto Gram
positivas como Gram negativas).
El lugol está formado por I2 (yodo) en equilibrio con KI (yoduro de potasio), el cual está presente
para solubilizar el yodo. El I2 entra en las células y forma un complejo insoluble en solución
acuosa con el cristal violeta.
La mezcla de alcohol-acetona que se agrega, sirve para realizar la decoloración, ya que en la
misma es soluble el complejo I2/cristal violeta. Los organismos Gram positivos no se decoloran,
mientras que los Gram negativos sí lo hacen.
62
Para poner de manifiesto las células Gram negativas se utiliza una coloración de contraste.
Habitualmente es un colorante de color rojo, como la safranina o la fucsina. Después de la
coloración de contraste las células Gram negativas son rojas, mientras que las Gram positivas
permanecen azules.
La tinción dio de color rojo, lo cual nos indicaba la presencia de bacterias gran negativas, de
acuerdo a esto y con las fotos encontradas en la literatura se hizo una comparación para
identificar a los organismos filamentos, su causa y su acción correctiva.
La tinción, como se mencionó antes, es el método empleado para la identificación de bacterias, d
Una vez se han adicionado los tintes específicos en las muestras, y se ha lavado la muestra
pasados unos minutos para evitar confusiones, se limpian las muestras con unas gotas de alcohol
etílico. La función del alcohol es la de eliminar el tinte de las bacterias, y es aquí donde se
reconocen las bacterias que se han tomado: si la bacteria conserva el tinte, es una Gram positiva,
las cuales poseen una pared más gruesa constituida por varias decenas de capas de diversos
componentes proteicos; en el caso de que el tinte no se mantenga, la bacteria es una Gram
negativa, la cual posee una pared de una composición diferente.
Los organismos filamentosos poseen una pared de menor grosor que ciertas bacterias, es por ello
que no retienen el tinte y se observa entonces la coloración roja.
63
Fotografías de los microorganismos encontrados con la tinción de Gram
Imagen 1 imagen 2
Imagen 3
Las imágenes muestran la forma en la que se distribuyen los microorganismos filamentosos en el
lodo propiciando la adherencia de las bacterias floculadoras y la nula sedimentación. En la
imagen 1c (Microthix Parvicella) se puede observar la abundancia de microorganismos
filamentosos, dicho organismo filamentoso es el más comúnmente encontrado en los análisis de
las plantas debido a su facilidad para consumir sustratos no degradables.
64
3.3 RESULTADOS ENCONTRADOS EN LA IDENTIFICACIÓN EN LOS
LABORATORIOS DE CELANESE Y TOMANDO COMO REFERENCIA LAS
IMÁGENES ENCONTRADAS EN LA LITERATURA.
TIPO CRECE PRINCIPALMENTE EN
CAUSAS QUE LO PROVOCAN
ACCIONES CORRECTIVAS
*Microthix Parvicella Recirculación de lodos.
Bajas concentraciones de oxígeno. Alta relación F/M (0.6>F/M>0.3). Edad de fango elevada
Efectuar cambios en la recirculación de lodos (reduciendo gastos de recirculación).
Nostocoida limícola II En zonas donde hay bajo oxigeno disuelto y bajas relaciones F/M
Edad de fango elevada Bajo oxigeno disuelto. Baja F/M Desechos orgánicos
Incrementar la relación F/M Manipulación del oxigeno disuelto (aumentar)
Nostocoida limícola III En zonas donde hay bajo oxigeno disuelto y bajas relaciones F/M
Bajo oxigeno disuelto. Baja F/M Edad de fango elevada
Incrementar la relación F/M Manipulación del oxigeno disuelto (aumentar)
Thiothrix I Zonas óxicas Ambientes donde hay nutrientes limitados (N o P)
Presencia de sustrato fácilmente biodegradable. SRT medio o alto. Balance inadecuado de nutrientes. Concentraciones apreciables de sulfuro. Alto pH en el sistema de aereación.
Cloración si su crecimiento es excesivo Incrementar niveles de oxigeno disuelto. Agregar nutrientes. Disminuir el pH.
Tabla 2
En general, una de las principales causas de aparición del bulking filamentoso es la baja relación
entre las concentraciones de sustrato y microorganismos, F/M.
65
También la aparición del bulking está asociado con:
Bajo nivel de oxígeno
Agua procedente de fosas sépticas
Presencia de sulfuros
Deficiencia de nutrientes
Bajo pH
*Microthrix Parvicella, Nostocoida Limicola, tipo 0092 y tipo 0914 son microorganismos
capaces de utilizar sustrato tanto en condiciones óxicas como en condiciones anóxicas.
Microthrix Parvicella tiene asimismo la facultad de almacenar sustrato, por lo que es una de las
filamentosas más comunes en plantas de tratamiento de efluentes.
NOTA: Nocardia, Nostocoida limícola, Microthrix parvicella, tipos 0041 y 0675 son
microrganismos formadores de espumas. Estas bacterias son capaces de producir biosurfactantes,
lo que produce una espuma viscosa estable, de color marron, al quedar atrapadas gotitas de aceite
y burbujas de gas.
66
CONCLUSIONES
Los microorganismos filamentosos siempre van a existir en los sistemas de lodos
activados, es más, cuando están en minoría ayudan a que las bacterias floculadoras sedimenten
más rápido debido a que con los filamentosos se forma una masa de mayor peso. Cuando las
variables determinantes para que se dé la formación excesiva de microorganismos filamentosos
se salen de control, se origina el abultamiento filamentoso.
Las variables que propician la formación del abultamiento filamentoso son las altas y bajas
relaciones de microorgansimos-alimento (F/M), las variaciones del potencial de hidrógeno (pH),
la mala oxigenación en los bioreactores y la falta de nutrientes como el nitrógeno y el fosforo. El
rango óptimo de la relación F/M en una planta de tratamiento de aguas residuales por el método
de lodos activados no debe excederse de 0.5 d-1
ni estar en valores más bajos que 0.2 d-1
, el pH
debe estar lo más cercano al valor neutro, 7 y el oxígeno disuelto no debe pasar el valor de los
3mg/lt.
Existen métodos selectivos y no selectivos de control de abultamiento filamentoso, los
métodos no selectivos son los más comunes pero menos eficaces, ya que la adición de cloro mata
a los filamentosos por ser un bactericida poderoso, pero también lo hace con las bacterias
floculadoras, lo cual no se quiere en un planta de tratamiento, ya que son estas la que degradan la
materia orgánica.
La identificación de los microorganismos filamentosos por medio de un microscopio es una
herramienta que permite manejar de manera eficiente los problemas que ocasionan los
filamentosos en exceso, sin embargo, si los parámetros de la planta siempre están en condiciones
donde las bacterias puedan subsistir sin problemas, el abultamiento filamentoso no se formaría, y
por ende, no habría problemas operativos.
67
RECOMENDACIONES
Para evitar que los filamentosos existan de manera predominante en el sistema es necesario que:
En la medida de ser posible, identificar con la ayuda de un microscopio, la presencia de los
filamentosos en las corrientes de entrada, esto con el fin de saber la causa que lo origina y por
ende, la manera de controlarlo, ya que las corrientes pueden cambiar por las modificaciones en
las plantas de producción.
Se mantenga una buena oxigenación en las cámaras, para ello, es necesario que se identifiquen
las variables pertinentes para el cálculo de adición de oxigeno. Las bajas cantidades de oxigeno
provocan la aparición de filamentosos.
Se monitoree la edad del lodo, en los lodos jóvenes no crecen filamentosos.
Se tenga un control del IVL (índice volumétrico de lodos), que no exceda de de 200 ml/lt
Se monitoree el pH (bajos valores de pH son favorables para el crecimiento de filamentosos) y la
temperatura a la entrada de las cámaras.
Con los datos del balance de la planta, obtener datos específicos de la cantidad de nutrientes a
agregar.
Evitar la deficiencia de alimento para los microorganismos, esto es, proporcionar corrientes con
la mayor cantidad de materia orgánica, evitando los metales y toda aquella corriente con
presencia de materia inorgánica. Mantener la variable F/M en condiciones bajas de operación
(0.1-0.3), provoca la aparición de bulking filamentoso.
Operar la planta en condiciones estacionarias, esto es, con la identificación de filamentosos,
proveer las condiciones necesarias para que no ocurran cambios bruscos en la operación de la
planta. (Temperatura, pH)
68
Adicionar cloro en la recirculación de lodos, ya que es ahí, en donde por las condiciones de poco
oxigeno en donde pueden proliferar los microorganismos filamentosos.
Por ningún motivo se ocupe la cloración como método para la eliminación de filamentosos
directamente a las cámaras, ya que si bien la acción bactericida del cloro eliminara a las bacterias
filamentosas también eliminará a las bacterias floculadoras quedando el sistema de lodos
activados ineficiente para la degradación de la materia orgánica.
Las estaciones del año propician la formación de nuevos microorganismos filamentosos, por lo
tanto, cuando las temperaturas cambien bruscamente, es necesario se realice una identificación
con el microscopio de los posibles filamentosos que se puedan formar.
Tener cuidado con la temperatura alcanzada por los sopladores en las cámaras, ya que si bien el
oxigeno es necesario para los microorganismos, la temperatura del aire puede ser muy elevada y
propiciar así la formación de los filamentosos.
La aereación en las cámaras no debe ser muy fuerte, ya que si la corriente de aire es demasiada,
podría romper el floculo impidiendo que sedimente. Asimismo debe verificarse a través de
mediciones que no exceda los 3 mg/lt.
Dar mantenimiento periódico a los difusores de aire, ya que por la misma acción de los lodos al
sedimentar, se podría tapar, ocasionando que se vuelvan ineficientes y provean poca cantidad de
oxigeno y por ende favorecer el crecimiento de los filamentosos.
69
DEFINICIONES
BULKING
Se trata de una condición que proviene del crecimiento excesivo de microorganismos
filamentosos que crean condiciones precarias de sedimentación.
CARGA ORGANICA
Cantidad de materia orgánica en el liquido que ejerce un efecto negativo en el cuerpo receptor de
agua.
BIODEGRADACION
La transformación de compuestos orgánicos por acción de microorganismos existentes en el
suelo, cuerpos de aguas naturales o sistemas de tratamiento de desagües.
BACTERIA
Organismo microscópico con una organización celular primitiva. Se alimentan de materia
orgánica descomponiendo los sólidos orgánicos para obtener alimento y energía.
DEMANDA BIOLOGICA DE OXIGENO
Degradación de la materia orgánica. Transformación de la materia orgánica a formas inorgánicas
por acción biológica de microorganismos.
DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO
Este ensayo efectúa una combustión húmeda (oxidación) de toda la materia carbonosa presente y
en algunos casos también de las sustancias nitrogenadas.
DEPURACION
La remoción por medios naturales o artificiales de materia objetable presente en el medio.
70
INDICE VOLUMETRICO DE LODOS
Es el volumen que ocupa un gramo de lodo activado.
MATERIA ORGANICA
Cantidad de sustancia orgánica en el efluente que ejerce un efecto adverso en el cuerpo receptor
de agua.
NITROGENO AMONIACAL
Representa el nitrógeno presente como hidróxido de amonio y sales amoniacales, su
concentración disminuye a medida que el liquido se va tratando.
NITROGENO ORGANICO
El nitrógeno que se encuentra combinado en las moléculas orgánicas. Por ejemplo el que se
encuentra en los protidos, en las aminas y en los aminoácidos.
OXIGENO DISUELTO
El oxigeno disuelto en los líquidos asegura la degradación de la materia orgánica. Su
concentración en el liquido es función de la presión, la temperatura y la calidad del liquido.
OXIGENO RESIDUAL
El contenido de oxigeno disuelto en un cuerpo de agua después que ha sufrido una deoxidacion.
pH
Es el logaritmo de la reciproca de la concentración de ion hidrogeno. El agua neutra, por ejemplo,
tiene pH 7 y una concentración de ion hidrógeno de 10-7 moles por cada litro de solución.
SOLIDOS COLOIDALES
Partículas sólidas finamente divididas que no puedan sedimentar, pero que pueden ser removidas
por coagulación química o bioquímica.
71
SOLIDOS DISUELTOS
Son los sólidos que atraviesan en un ensayo un filtro de amianto normalizado. De los sólidos
disueltos totales, un 90 % esta disuelto y el resto en estado coloidal.
SOLIDOS INORGANICOS
Son sustancias minerales generalmente no sujetas a degradación como la arena, las grasas
minerales y las sales minerales.
SOLIDOS ORGANICOS
Son residuos procedentes de los procesos vitales de hombres, animales y plantas. Están
compuestos por combinaciones de carbono, hidrogeno y oxigeno, pudiendo estar presentes
elementos como hidrogeno, azufre, fósforo, etc.
SOLIDOS SEDIMENTABLES
Son que pueden ser separados por medios físicos y que decantan en un tiempo determinado.
SOLIDOS SUSPENDIDOS
Son aquellos que se encuentran suspendidos en el liquido y son visibles a simple vista. Incluyen
partículas flotantes como polvo, arcilla, materia fecal, etc. Están constituidos por 70% de sólidos
orgánicos y 30% de inorgánicos.
TRATAMIENTO
Cualquier método, técnica o proceso físico, químico, térmico o biológico, diseñado para cambiar
la composición de cualquier residuo peligroso o modificar sus propiedades físicas, químicas o
biológicas de modo de transformarlo en no peligroso, o menos peligroso o hacerlo seguro para el
transporte, almacenamiento o disposición final; recuperar energía, o materiales o bien hacerlo
adecuado para almacenamiento, y/o reducir su volumen. La dilución no está considerada como
tratamiento.
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BIBLIOGRAFIA
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