Tema III: Microbiología del Tratamiento de Aguas Residuales CI 51I Calidad del Agua-Microbiología Area Hidráulica, Sanitaria, Ambiental Departamento Ingeniería Civil Tema III: Microbiología del Tratamiento de Aguas Residuales Gabriela Castillo M. 13/11/2018 Universidad de Chile

PURIFICACIÓN BIOLÓGICA Proceso natural realizado por los microorganismos presentes en el agua y el suelo Mineralización de la materia orgánica biodisponible (C, N, P, otros), acompañada de generación de biomasa y energía También puede ser inducida artificialmente para remover contaminantes

Autopurificación Capacidad de un cuerpo de agua de eliminar por sí mismo descargas contaminantes que recibe, principalmente de materia orgánica Depende de la microflora presente: consumidores (bacterias, protozoos) y productores (algas)

Autopurificación Inicialmente actúan bacterias aerobias heterótrofas que degradan el C orgánico. Luego aparecen protozoos que degluten sólidos suspendidos Posteriormente aparecen bacterias quimiolitótrofas que transforman compuestos inorgánicos Finalmente aparecen algas que Oxigenan el agua y recuperan la vida de los organismos superiores

Autopurificación En la autopurificación se distinguen 3 Zonas: Polisaprobia Mesosaprobia  y  Oligosaprobia

Autopurificación: 1. Zona Polisaprobia Punto de descarga del contaminante : 1.Gran incremento de bacterias quimioorganótrofas (108 mL-1), aerobias estrictas (ej. Pseudomonas, Comamonas), o aerobias facultativas Flavobacterium, Serratia, Aeromonas, Enterobacteriaceae 2. El exceso de bacterias genera una gran demanda de oxígeno que induce la reducción de los sulfatos a sulfuros por bacterias quimiolitotrofas y producción de malos olores, y aparición de bacterias filamentosas del tipo Beggiatoa y Sphaerotilus.

Autopurificación: 1. Zona Polisaprobia 3. Estas últimas aparecen en superficie en largos filamentos floculentos, formando zoogleas en asociación con otros gérmenes. 4. Se observa la aparición de protozoos ciliados de los géneros Vorticella, Epistylis y Carchesium. 5. Por la descarga de materia orgánica y el crecimiento microbiano, aumenta la Turbiedad del agua, lo que hace desaparecer las algas. 6. Si la descarga baja el pH del agua aparecen hongos tipo Fusarium y Geotrichium, deteriorando aún más sus características estéticas.

Autopurificación: Zona Mesosaprobia  El déficit de oxígeno y la degradación de gran parte de la materia orgánica inicial, producen una disminución de las bacterias quimioorganótrofas (105 mL-1). Paulatinamente el medio se vuelve menos turbio, aparecen algas (Euglena, Chlamydomonas) y con ellas una cierta recuperación del contenido de O2. El O2 disuelto y la presencia de bacterias favorece el crecimiento de protozoos (ciliados y flagelados), consumidores bacterianos. Por la disminución de materia orgánica, presencia de O2 y bacterias nitrificantes (Nitrosomonas y Nitrobacter) se observa cierto grado de nitrificación

Autopurificación : Zona Mesosaprobia  Casi total mineralización de la materia orgánica Las bacterias heterótrofas disminuyen a 105 mL-1 La nitrificación aumenta significativamente Disminuyen los protozoos Por la presencia de nitratos y baja turbiedad aparece una gran diversidad de algas, que generan elevan el O2 del agua Reaparecen rotíferos, microcrustáceos, invertebrados, moluscos y algunos tipos de peces.

Autopurificación: Zona Mesosaprobia  La zona más compleja es la Mesosaprobia . Si el O2 baja de 2 mg/L, o a la mitad de la concentración de saturación (que depende de la temperatura) el cuerpo de agua no se recupera.

Autopurificación: Zona Oligosaprobia Recuperación total del cuerpo de agua La contaminación orgánica ha desaparecido El O2 disuelto tiende a la saturación Las bacterias disminuyen a 103 mL-1 Desaparece el exceso de protozoos Aparecen los organismos y plantas acuáticas sensibles a la materia orgánica

Tratamiento Biológico Proceso controlado que simula la autopurificación Los sistemas convencionales tienen por objeto eliminar la DBO y los SS del agua Existen tratamientos más avanzados para remoción de nutrientes y otros contaminantes

Tratamiento Biológico Desde el p/v del Oxígeno libre: Sistemas aerobios Sistemas anaerobios Sistemas anóxicos Sistemas combinados

Tratamiento Biológico Desde el p/v de el estado de los microorganismos: Sistemas suspendidos Sistemas adheridos Sistemas combinados Principales actores: Las Bacterias

Sistemas de Tratamiento Biológico Lodos activados Biofiltros Lagunas de Estabilización Biodigestión

Lodos Activados Sistema aeróbico: Tanque aireado con sobrenadante de agua servida predecantada donde crecen microorganismos suspendidos Los microorganismos oxidan la materia orgánica biodegradable generando nueva biomasa Las células microbianas y los sólidos suspendidos forman flóculos de 1 a 100 que decantan en el tanque de sedimentación 2rio

Microorganismos Bacterias heterótrofas en fase de crecimiento endógeno (108/mL -2% viables) > 300 tipos Generan polímeros que actúan como floculantes naturales formando zoogleas Zoogleas son exopolímeros liberados por las bacterias, de forma típica como dedos También hay bacterias filamentosas que colaboran en la formación de los flóculos

Microorganismos Protozoos : ciliados, contribuyen a reducir la DBO, SS y bacterias. Aparecen cuando gran parte de la materia orgánica ha sido degradada Los más comunes: Rastreros: Aspidisca, Chilodonela y Euplotes Pedunculados: Vorticella, Carchesium, Opercularia, Epistylis Exceso de protozoos flagelados se asocian a baja remoción de DBO y SS

Otros organismos Rotíferos Organismos multicelulares de 100 a 500: Colaboran en la eliminación del exceso de bacterias y en la formación de flóculos (mucus) En el sistema de LA s produce una dinámica ecológica de organismos que se asocia a purificación del agua

Dinámica biológica en un sistema de LA (Bitton, 1980) PROTOZOOS AMEBIANOS BACTERIAS PROTOZOOS FLAGELADOS PROTOZOOS CILIADOS DE VIDA LIBRE PROTOZOOS CILIADOS PEDUNCULADOS ROTÍFEROS ALTA DBO BAJA DBO

REMOCIÓN DE PATÓGENOS Los sistemas convencionales no fueron desarrollados para eliminar patógenos En LA los patógenos traspasan de la fase líquida a la sólida Bacterias : 0,5 - 2 Log Virus : 1 - 2 Log Protozoos : 0,5 - 2 Log

Calidad del Efluente Baja DBO (< 30 mg/L) Bajos SS (< 70 mg/L) Alto N-amoniacal (  40 mg/L) Baja remoción de P ( 10%) Problemas en la separación líquido-sólido pueden disminuir la eficiencia de la remoción de DBO y SS

Control de Decantación del Lodo Indice Volumétrico de Lodo (SVI) : Corresponde al volumen ocupado por 1 g de lodo y se expresa en mL/g v x 1000 SVI mL/g = MLSS v : volumen decantado en 30 min (mL/L) MLSS : sólidos suspendidos en el licor mezclado (mg/L)

Composición de Aguas Servidas Domésticas (mgL-1) Parámetros Fuerte Media Débil DBO 400 220 110 DQO 1000 500 250 N-Orgánico 35 15 8 N-NH4 50 25 12 N Total 85 40 20 P Total 15 8 4 ST 1200 720 350 SS 350 220 100

BULKING Y ESPUMAS En los LA hay varios tipos de problemas relacionados con la separación de los lodos y eficiencia del proceso Uno de los frecuentes y temibles es el lodo abultado o Bulking, que generalmente es originado por crecimiento excesivo de bacterias filamentosas Otro problema es la formación de espumas y costras café en el tanque de aireación por actinomicetes, en presencia de detergentes o por disminución de oxígeno y produción de azufre reducido

Problemas de desaguado del lodo Crecimiento disperso : bacterias Bulking viscoso : H de C + bacterias Flóculos pequeños no compactables :  DBO Bulking filamentoso : filamentosas  SVI Espumas : filamentosas

Bulking Filamentoso Causas: Déficit de Oxígeno y Nutrientes (N y P) Baja relación F/M : (poco alimento, baja concentración de heterótrofas) Bacterias filamentosas: Se conocen más de 30 tipos responsables de bulking. Gordonia (ex Nocardia), tipo 1701, tipo 021N

Costras y Espumas Producidas en la superficie del agua en los tanques de aireación, generalmente por detergentes no degradables y desarrollo de bacterias filamentosas : Nocardia, Gordonia Generan problemas de operación, pasan al tanque de sedimentación secundario y aumentan los SS y la DBO del efluente Causan mal olor y problemas en los digestores Pueden infectar a los trabajadores. Nocardia asteriodes es patógena oportunista

Plantas de LA con problemas de costras y espumas en el tanque de aireación

Control de Bulking Filamentoso Tratamiento con oxidantes en el lodo de retorno : Cloro, H2O2. El cloro es el más usado, conc. 10-20 mg/L > conc. produce flóculos débiles (Pin-point) H2O2, conc. 100-200 mg/L Sistemas mecánicos : selectores Control biológico con protozoos del suelo que predan filamentosas

Control de espumas y costras Disponer cloro en forma de spray sobre la espuma (2000-3000 mg/L) Reducir la edad del lodo, aumentar el tiempo de retención de la biomasa en el tanque Uso de selectores biológicos anaerobicos Disminuir la oxigenación Remoción física de la espuma

Protozoos ciliados de vida libre rastreros típicos de lodos activados Chilodonella Euplotes Aspidisca

Protozoos ciliados de vida libre pedúnculados en lodos activados Epistilis Opercularia Carchesium Vorticella

Rotíferos en lodos activados Lecane Phylodina

Bacterias causantes de Bulking Filamentoso Nocardia/Gordonia Microthrix Tipo 021N