Universidad Nacional de TrujilloEscuela de Postgrado

Aguas Residuales : Tratamiento Biológico

Dr Alfredo Cruz Monzón

Ameba Naegleria fowleri

(Meningoencefalitis amebiana primaria)

Biología de las Aguas Residuales

Los organismos mas pequeños, son los que realizan actividades ambientales esenciales como captar energía del sol y ejecutar etapas de los ciclos del C, O, N y de otros elementos indispensables para la llamada BIOTA.

Su importancia radica además en :- Que están presentes en los residuos humanos y de animales.

- Su patogenicidad

- Su uso como indicadores de contaminación

- Que son los ejecutores del tratamiento biológico

Los principales organismos presentes en las A.R, se clasifican de acuerdo a sus características celulares.

1. GRUPO EUCARIOTAS:- Contiene núcleo verdadero encerrado dentro de una membrana nuclear

- Pueden ser:

Multicelulares con diferenciación tanto de células como tejido.

Unicelulares o miceliales con poca o ninguna diferenciación de tejido.

- Formados por plantas y animales

- Incluyen a los Protistas (algas, hongos, protozoos)

2. GRUPO EUBACTERIAS:

- No poseen membrana nuclear.

- Química celular similar a la eucariotas.

- Conformada principalmente por bacterias

3. GRUPO ARQUEBACTERIAS

No posee membrana nuclear

Química celular característica

Miembros Representativos

Bacterias Metanógenas : capaces de producir metanoMethanobacterium ruminantium, o Methanobrevibacter spp.

Bacterias Halófitas : viven en medios saturados o casi saturados de salPseudomonas salinaria, Micrococcus sp, Pediococcus halophylus, Sarcina litoralis, Halococcus

Bacterias Termoacidófilas : capaces de tolerar altas Temperaturas y pH ácido.Sulfolobus acidocaldarius (60°-80°C / pH : 1 – 3))

Pyrolobus fumarii (110°C), Picrophilus (pH~ - 0,06)

Coliformes Estreptococos Relación

Animal Fecales Fecales CF/EF

Pavo 130 1300 0,10

Pollo 240 620 0,40

Vaca 5400 31 000 0,20

Cerdo 8 900 230 000 0,04

Pato 11 000 18 000 0,60

Oveja 18 000 43 000 0,40

Humano 2 000 450 4,40

Fuentes de Cargas Microbianas(millones /c.d.)

E.Coli Estreptocos fecales

Organismos Patógenos del Agua ResidualORGANISMO ENFERMEDAD SINTOMATOLOGÍA

I. BACTERIASEscherinchia Coli (enteropatogena) Gasteroenteritis DiarreaLegionella pneumophila Legionelosis Enf. Respiratoria agudaLeptospira Leptospirosis Ictericia, fiebreSalmonella typhi Fiebre tifoidea Fiebre, diarrea, úlcerasSalmonella Salmonelosis EnvenenamientoShigella DisenteríaVibrio Cholerae Cólera Diarrea, deshidrataciónYersinia enterolítica Yersinosis Diarrea

Legionella pneumophila Salmonella Typhimurium

ORGANISMO ENFERMEDAD SINTOMATOLOGÍA

II. VIRUSAdenoviris ( 31 tipos ) Enf. RespiratoriaEnterovirus ( 67 tipos ) Gastroenteritis

Polio ( 3 tipos ) Poliomelitis, meningitis Fiebre

Coxsackie A ( 24 tipos ) Meningitis Fiebre

Echo ( 34 tipos ) Anomalías Cardiacas, meningitis FiebreHepatitis A Hepatitis infecciosa Ictericia, fiebreAgente Norwalk Gastroenteritis Vómito y diarreaReo ( 3 tipos ) Gastroenteritis Vómito y diarrea

Rota Gastroenteritis Vómito y diarrea

Virus del polio Virus Coxsackie B4

ORGANISMO ENFERMEDAD SINTOMATOLOGÍA

III. PROTOZOOS

Balantidium coli Balantidiasis Diarrea

Crytosporidium Criptosporidiosis Diarrea

Entamoeba histolytica Amibiasis Diarrea

Giardia lamblia Giardiasis Diarrea, naúseas, indigestión

Balantidium coli Giardia lamblia

ORGANISMO ENFERMEDAD SINTOMATOLOGÍA

IV. NEMATODOSAscaris lumbricoides Ascaridiasis Lombrices

Esterobius vericularis Enterobiasis Oxiuros

Fasciola hepática Fascioliasis Lombriz del hígado

Fasciola hepática

Ascaris lumbricoides

Esterobius vericularis

ORGANISMO ENFERMEDAD SINTOMATOLOGÍA

V. PLATELMINTOSHymenolepsis nana Himenolepsiasis Tenia enana

Taenia saginata Teniasis Tenia vacuna

Taenia solium Teniasis Tenia del cerdo

Trichuris trichiura Tricuriasis

Taenia saginata Trichuris trichiura

1. BACTERIAS:- Son procariotas, unicelulares (sin membrana celular).- Morfológicamente pueden ser:

* Redondas : cocos ( D = 1 - 3 μm)

* Cilíndricas : bacilos ( D = 0,3 – 0,5 μm ; L = ( 1 – 10 μm )* Curvadas : vibriones ( D = 0,6 – 1 μm ; L = 2 – 6 μm )* Espiral : espirillas o espiroquetas ( L = 50 μm )

* Filamentosas : L > 100 μm

- Son el grupo mas importante de microorganismos en el tratamiento de aguas residuales.

- Utilizan sustrato en solución.

- Son heterótrofas o autótrofas, aerobias o anaerobias o facultativas.

- Un solo cm3 de agua residual puede contener miles de millones de bacterias.

- Conteos típicos de bacterias son:

- Agua potable < 1 célula / L

- Agua manantial 100 células / mL

- Agua limpia de rio 1000 células / mL

- Agua contaminada de rio 104 células / mL

- Aguas residuales 106 células / mL

- En general se reconoce como composición celular orgánica: C5H7NO2.

- Si se considera al fósforo entonces la fórmula aceptada es : C5H7NO2P0,074

- Crecimiento óptimo: a pH entre 6,5 y 7,5.

- Condiciones adversas: a pH mayores a 9,5 o menores a 4.

- Reproducción: fisión binaria ; algunas por reproduc. sexual o por germinación.

- La fisión binaria ocurre en tiempos variables entre varios minutos o varios días

- En general un incremento de 10°C duplica la tasa de crecimiento bacterial, hasta que alcanza la temperatura óptima.

- De acuerdo a la temperatura óptima de funcionamiento, las bacterias se clasifica en:

Temperatura (°C)

Tipo Mínima Optima Máxima

Psicrófilas – 5 15 – 30 19 – 35

Mesófilas 10 – 15 30 – 45 35 – 47

Termófilas 40 – 45 55 – 75 60 – 80

2. COLIFORMES- Grupo de bacterias que incluyen los géneros Escherichia y Aerobacter.

- En los excrementos humanos son muy numerosos : 2*1011 organismos/día.

- Su presencia en el agua de consumo humano se usa como indicador de contaminación, y constituyen los mejores indicadores de la presencia de patógenos.

- El Escherichia Coli se considera exclusivo de origen fecal y, es el indicador preferido de contaminación fecal.

- En la practica todos los coliformes (supuestamente), no crecen fuera del huésped, lo cual se cumple en climas templados, pero hay evidencia de que se multiplican en aguas de clima cálido.

Calidad del Agua según NMP de Coliformes

CLASE NMP / 100 mL

1 Agua apta para purificación con solo desinfección < 502 Agua apta para purificación con tratamiento convencional 50 - 5 0003 Agua contaminada que requiere tratamiento especial 5 000 - 50 000

4 Agua contaminada que requiere tratamiento muy especial > 50 000

- Son eucarioticos, aerobios, multicelulares, no fotosintéticos y heterótrofos.

- La mayoría son saprofitos: se alimentan de materia orgánica muerta.

- Con las bacterias son las responsables principales de la descomposición de la M.O.

- A diferencia de las bacterias, pueden tolerar ambientes de humedad baja y pH ácido.

- Requieren aprox la mitad del nitrógeno exigido por las bacterias y son importantes en el tratamiento de residuos ácidos que contienen concentraciones bajas de N.

- Condiciones óptimas: a pH = 5,6 en un intervalo de 2 a 9.

- Pueden descomponer celulosa y son importantes en el tratamiento de residuos industriales y en la descomposición de RRSS ( compost).

3. HONGOS

Hongo de la familia Mucoraceae El hongo Penicillium

- Son unicelulares o multicelulares, autótrofos, fotosintéticos.

- En aguas de abastecimiento pueden producir olores y sabores.

- En lagunas de estabilización son importantísimas por su actividad simbiótica con las bacterias y por la generación de O2, para la estabilización de la materia orgánica.

CO2 + H2O ---luz/algas → algas + O2 + H2O

- La relación promedio de C/N/P en el protoplasma de las algas es 105 / 15 / 1 , lo cual indica la importancia del N y P en el crecimiento y en los problemas de eutrofización.

- Existen 3 grandes grupos de algas, de acuerdo a su color: verdes, carmelitas y rojas.

- Además las algas azul-verdosas (cianobacterias) son un grupo de algas o bacterias que incluyen varias especies capaces de producir hepatotoxinas y neurotoxinas.

4. ALGAS

- Son protistas eucariontes (poseen nucleo definido), unicelulares, generalmente aerobios o facultativos anaerobios heterótrofos, aunque algunos son anaerobios.

- Se alimentan de bacterias y de otros microorganismos, así como de la materia orgánica particulada.

- Esenciales en la operación de plantas biológicas de tratamiento, así como en los ríos ya que mantienen un balance entre los diferentes grupos de microorganismos.

- Entre los mas importantes tenemos a las amibas, los flagelados y los ciliados libres y adheridos.

5. PROTOZOOS

Amiba Limax: Artritis reumatoidea / Enf. autoinmunitarias Ciliado libre

1. Video Reproducción asexual (división) por del Paramecio

2. Video Fundamentos del comportamiento de Protozoarios en agua residual

6. ROTIFEROS- Animales microscópicos, multicelulares, aerobios, heterótrofos.

- Muy efectivos en el consumo de bacterias y partículas pequeñas de M.O.

- Presentes en efluentes aerobios de plantas de tratamiento de aguas residuales.

- Poseen dos series de cilios rotantes sobre su cabeza que los utilizan para desplazarse y capturar alimento.

- Su presencia en un efluente indica un proceso de tratamiento biológico eficientes

Rotiferos Bacterias filamentosas Lacinularia sp

7. CRUSTACEOS

- Animales multicelulares, aerobios y heterótrofos, artrópodos de respiración bronquial.

- Poseen cuerpo cubierto con caparazón o concha y patas dispuestas simétricamente.

- Son importantes como predadores de plancton, en especial de la Daphia y Moina

Daphnia pulex Moina Macrocopus

8. NEMATODOS- Gusanos nemaltemintos redondos, con aparato digestivo, parásitos del hombreo

de animales.

- Incluyen algunos animales acuáticos que están en filtros lentos de arena y en plantas aerobias de tratamiento de aguas residuales.

- Sirven como alimento de otras especies y pueden alterar la calidad del agua de consumo al desarrollarse sobre la superficie de filtros.

- Ingieren bacterias y virus, por lo que éstos se resisten el proceso de cloración.

Helminto Nematodo Strongyloides stercoralis

9. PLATELMINTOS- Gusanos parásitos en su mayoría, casi todos hermafroditas.

- Poseen cuerpo aplanado, sin aparato circulatorio ni respiratorio.

- Su identificación es importante debido a su patogenicidad.

- Entre ellas tenemos al Hymenolepis nana, las tenias y el Trichuris trichiura

10. PECES- Vertebrados acuáticos, de respiración branquial.

- Constituyente importante del ecosistema acuático, por lo que sirven de indicador de calidad ambiental.

- Son fácilmente afectados por cambios de salinidad, pH, temperatura y O2 disuelto

REQUERIMIENTOS NUTRICIONALES DE LOS MICROORGANISMOS

Las fuentes mas comunes de Carbono Celular para los microorganismos son la materia orgánica y el CO2.

Los microorganismos pueden ser:

• Heterótrofos : Si usan Carbono Orgánico para su metabolismo.• Autotrofos : Si usan CO2 para desarrollar su metabolismo.

La conversión de CO2 en tejido celular es un proceso de reducción que requiere energía, por lo cual los autótrofos gastan mas energía en proceso de síntesis que los heterótrofos, y es por ello que tienen tasas de crecimiento mas bajas.

Lactobacillus (bacteria heterotrofa)Cianobacterias (bacterias Autotrofas)

Asimismo:

Fotótrofos( Organismos que usan

la luz como fuente de

energía)

Heterótrofos : Bacterias de azufre

Autótrofos : Algas , bacterias fotosintéticas

Quimiótrofos( Organismos que usan las

reacciones químicas de

oxidación del H2S, NH3,

NO2- y S2-, como fuente de

energía).

Heterótrofos : Hongos, protozoos y muchas bacterias

Autótrofos : bacterias nitrificantes

Los principales nutrientes microbiales son el “N” y “P”.

La cantidad requerida de N y P, en un proceso de tratamiento biológico depende del crecimiento neto de biomasa y de la masa microbial removida en el proceso.

Video Alimentación del Paramecio

En procesos biológicos (como en los Lodos Activos), se acostumbra expresar los requerimientos de nutrientes en términos de la relación DBO/N/P cuyo valor másico es de 100 / 5 / 1 .

La oxidación de la biomasa (en base a la composición celular C5H7NO2 ), requiere 1,42 g de O2 por gramo de biomasa.

PRINCIPIOS DEL TRATAMIENTO BIOLOGICO

El tratamiento biológico de A.R. supone la remoción de contaminantes mediante la actividad biológica.

La actividad biológica se aprovecha para remover principalmente sustancias orgánicas biodegradables, coloidales o disueltas mediante su conversión en gases y en biomasa extraíble por sedimentación.

Células nuevas (Biomasa)C5H7CO2

Productos de Desecho( CO2 / H2O / NH3 )

Materia Orgánica+

Oxígeno+

MicroorganismosAerobios

Existen 04 grupos principales de procesos biológicos:

1. Procesos Aerobios : en presencia de O2

2. Procesos Anóxicos : permite remover N, por conversión NO3- a N2

3. Procesos Anaerobios : en ausencia de O2

4. Proceso combinado aerobio-anóxico

5. Procesos combinado aerobio-anaerobio

OXIDACIÓN BIOLÓGICA

Es la conversión bacterial de las sustancias desde su forma orgánica a su forma inorgánica (bajo una forma altamente oxidada), en un proceso también denominado “mineralización”.

La mineralización microbiológica del material orgánico en las A.R. a través de una oxidación aereobia de carbohidratos y lípidos implica obtener como productos finales inorgánicos:

- CO2 - H2O - N (amoniacal)

- NO3- - Ortofosfatos - SO4

2-

Recuerde que los compuestos aromáticos (por tener elevado PM y E.O.) son bioquímicamente estables, entre las cuales tenemos:

Lignina / Materia húmica / Hidrocarburos aromáticos clorados.

Principales Procesos de Tratamiento Biológico

Tipo Crecimiento Proceso Uso Principal

1. Aerobio

Lodos Activados- Convencional

- Mezcla completa- Aireación escalonada- Estabilización y contacto- Oxigeno puro- Tasa alta- Aireación prolongada- Proceso Krauss- Zanjon de oxidación

Lagunas aireadas

Digestión aerobia

Lagunas aerobias

Suspendido

Adherido

Filtros Percoladores- Tasa baja- Tasa alta

Torres biológicas

Unidades Rotatorias de C. B.

Reactores de lecho fijo

Remoción DBO y nitrificación

Remoción DBO y nitrificación

Remoción DBO-estabilización

Remoción DBO y nitrificación

Remoción DBO y nitrificación

Remoción DBO y nitrificación

Remoción DBO y nitrificación

Remoción DBO y nitrificación

Tipo Crecimiento Proceso Uso Principal

2. Anóxico

BardenphoDesnitrificaciónSuspendido

Adherido Filtro anaerobio

Lecho expandido

Remoción de DBO, N y P

Remoción DBO–estabilización

Remoción DBO

Remoción DBO-estabilizaciónRemoción DBO y SS

Remoción DBO-estabilización

Remoción DBO-estabilización

Adherido Desnitrificación

Remoción de N

Remoción de N

3. Anaerobios

SuspendidoDigestión anaerobia

Anaerobio de contacto

HíbridoLagunas aerobias

Manto de lodos-flujoascensorial

Los elementos de la materia orgánica son convertidos desde su forma orgánica a la inorgánica mediante la oxidación biológica:

COrgánico + O2Microrganismos

CO2

HOrgánico + O2Microrganismos

H2O

NOrgánico + O2Microrganismos

NO3–

SOrgánico + O2Microrganismos

SO42–

POrgánico + O2Microrganismos

PO43-

Toda oxidación implica la transferencia de e- desde una sustancia donante (reducida), a otra aceptora.

La M.O. es el donante principal de e- (alimento), para los organismos vivos, aun cuando algunos materiales inorgánicos reducidos como el NH3, S2-, Fe2+, e H2(g) pueden servir también como alimento o fuentes de energía.

La oxidación de compuestos orgánicos implica una remoción de electrones del compuesto orgánico y su transferencia a un aceptor, el cual funciona como un agente oxidante reduciéndose en dicho proceso, así tenemos que:

Oxidación Aerobia

O2 es el aceptador final de electrones → sufre reducción

Mat. Orgánica es el donante de electrones → sufre oxidación

En el proceso aerobio sucede que:

O2 es reducido a H2O

Corgánico es oxidado a CO2

Además se ha observado que en la mayor parte de los casos, cada etapa de oxidación

supone la pérdida simultánea de 2e- y de 2H+ del sustrato orgánico oxidable

En otras palabras:

Oxidación compuesto orgánico : remoción 2H+ ó 2 H → Deshidrogenación

Reducción compuesto orgánico : adición 2e- , 2 H ó 2 H+ → Hidrogenación

Principales Oxidantes y Reductores de respiración Bacterianas

Reductor Oxidante Productos Organismo

H2 O2 H2O Bacteria del hidrógeno

H2 SO42- H2O + S2- Desulfovibrio

Comp. Organicos O2 CO2 + H2O Muchas bacterias, plantas y animales

NH3 O2 NO2- + H2O Bacteria nitrificante

NO2- O2 NO3- + H2O Bacteria nitrificante

Comp. Organicos NO3- N2 + CO2 Bacteria desnitrificante

Fe2+ O2 Fe3+ Ferrobacillus (bacteria del Fe)

S2- O2 SO42- + H2O Thiobacillus (bacteria del S)

1. PROCESO AEROBIOEs un proceso de respiración de oxigeno en el cual el oxigeno libre es el único aceptor final de electrones, con lo cual es reducido mientras que el C es oxidado, al igual que la materia orgánica o inorgánica.

Todos los organismos que usan oxigeno libre (O2) como aceptor de electrones son aerobios, donde:

O2

(Oxigeno libre)

Materia orgánica o inorgánica

donante de H

Organismo consumidor de O2

H2O

CO2

Biomasa

El O2 es reducido a H2OLa M.O es oxidada a CO2

Aun cuando las reacciones involucradas en el metabolismo microbial son de gran complejidad, se podría representar el proceso de oxidación aerobia como:

Residuos oxidables en el A.R + O2(g)

Bacterias Residuo Oxidado

+Nuevas

Bacterias(Biomasa)

Materia Orgánica

+Bacterias aerobias

+ O2(g)

CO2 + H2O + NH3 + Energía

Nuevas células ( biomasa )

+ O2(g)

Usualmente Bacterias: organismos mas importantes en el tratamiento aerobio de A.R. Son excelentes oxidadores de M.O., se desarrollan bien formando una capa floculenta gelatinosa de muy buenas características para la remoción de la M.O.

Es así que:

En los procesos de Lodos activados y

Filtros percoladores

Zooglea ramigera

Pseudomonas

Flavobacterium

Alcaligenes

Polaribacter sp. MED152

(Flavobacteria)

(A) Colonia en agar.

(B) Abundante material extracellular.

(C) Imagen de celulas individuales

Zooglea ramigera Pseudomonas

Alcaligenes Faecalis

El proceso aerobio se ejecuta con la finalidad de obtener la energía necesaria para la síntesis de tejido celular nuevo.

En ausencia de materia orgánica el tejido celular se respirará endógenamente (autoxidación), y se convertirá en productos gaseosos y en energía para mantenimiento.

Las 03 reacciones esenciales que suceden simultáneamente son:

* Catabolismo : Oxidación o descomposición

* Anabolismo : Síntesis o asimilación

* Autólisis : Respiración endógena o auto-oxidación

CHONS + O2bacterias

CO2 + NH3 + H2O + Otros + EnergíaMateria orgánica

CHONS + O2 C5H7NO2Materia orgánica

+ Energíabacterias

Nuevas células bacterianas

C5H7NO2 + 5 O2 5 CO2 + NH3 + 2H2O + EnergíaMateria orgánica

bacterias

2. PROCESO ANAEROBICOSegún Pasteur, el proceso anaerobio o fermentación es la vida sin aire.

Es la descomposición u oxidación de compuestos orgánicos, en ausencia de oxigeno libre, para obtener la energía requerida para el crecimiento y mantenimiento de los organismo anaerobios.

Produce menos energía que el proceso aerobio, debido a que la mayor parte de la energía liberada de la sustancia descompuesta aun permanece en los productos finales reducidos (como CH4), generándose una biomasa mucho menor que la obtenida en el proceso aerobio.

Materia OrgánicaDonante de H

+ CH4 + CO2

NO3-

SO42-

CO2

Bacteria Anaerobia

Bacteria Anaerobia

Bacteria Anaerobia

N2

H2S

CH4 + H2O

Diagrama Simplificado de la Oxidación Anaerobia

Bacteria Anaerobia

Anaerobio estricto

Anaerobio estricto

La descomposición anaerobia es posible con todos los compuestos orgánicos que contienen oxigeno en sus moléculas.

En el tratamiento anaerobio puede considerarse que ocurren los procesos básicos de la descomposición anaerobia:

- Desnitrificación de nitratos

- Respiración de sulfatos

- Hidrólisis

- Fermentación ácida (acetogénica)*

- Fermentación metanogénica.*

En su forma mas simplificada, se puede considerar que el proceso anaerobio de descomposición de la M.O. ocurre principalmente en dos etapas:

* Fermentación Acida (acetogenica):

Compuestos Orgánicos complejos (proteínas, grasas, carbohidratos

Estructuras moleculares

mas pequeñas

Bioxidación

Acido acéticoAcido propiónicoAcido butíricoH2

CO2

* Fermentación Metanogénica:

Pdtos de la Fermentación Acida Acido acético, Acido propiónico

Acido butírico, H2 , CO2

Microorganismos Metanogénicos

CO2

CH4

Según Zeikus J.G. (Microbial population in digester in anaerobic digestion. App Sci Pub.

Londres. 1988), la oxidación anaerobia de compuestos orgánicos, se tiene:

Compuestos Orgánicos Complejos

Bacterias hidrolíticas(rxns enzimáticas)

Compuestos de bajo P.M. (azúcares, aminoácidos, ácidos

grasos y glicerol)

Bacterias acetogénicas

Ácidos carboxílicos de bajo PM(Ac. Acético, Propiónico, butírico,

valérico y fórmico; CO2 ; H2 ; CH3OH ; etanol)

Bacterias metanogénicas

CH4 / CO2 / H2O

SO42-, CO2 : aceptores electrones (anaerob. estricto) → sufren reducción

NO3- : aceptores electrones (anóxicas)

Mat. Orgánica es el donante de electrones → sufre oxidación

Oxidación Anaerobia