CRECIMIENTO Y METABOLISMO BACTERIANO

Las bacterias son microorganismos procariotas que presentan un tamaño de unos pocos micrómetros (por lo general entre 0,5 y 5 μm de longitud) Del estudio de las bacterias se encarga la bacteriología, una rama de la microbiología. Actualmente, se les atribuye un gran potencial para la purificación de aguas residuales por medio de la degradación de compuestos orgánicos y tóxicos

Importancia de las Bacterias

Los microorganismos colonizan todos los ambientes sobre la tierra. 80% de la historia de la vida fue bacteriana. Cada ser humano pose más células bacterianas que células humanas. Los microorganismos juegan un papel clave en la biósfera. Los microorganismos patógenos globalmente son la causa más importante de enfermedad y muerte en el ser humano.

Elementos Bacterianos

Citoplasma, nucleoide, flagelo, capsula, pared celular, ribosomas y pili.

Reproducción bacteriana

Fisión binaria. Formación de nuevo ADN casi continuamente. Intercambio genético: Transformación. Genes tomados del ambiente que les rodea. Conjugación. Genes transferidos de célula a célula (pili). Transducción. Genes transferidos por virus (fagos).

Factores que influyen en el metabolismo y crecimiento bacteriano

Entre los factores físicos tenemos la temperatura, el pH y la presión osmótica. Los factores químicos necesarios son diversos elementos constitutivos de las células.

Temperatura

El patrón de metabolismo y crecimiento bacteriano se ve profundamente influenciado por la temperatura. La temperatura a crecimiento óptimo permite el crecimiento más rápido de las bacterias durante un período de tiempo, usualmente entre 12 y 14 horas. La temperatura mínima de crecimiento es aquella temperatura menor a la cual la especie puede crecer. La Temperatura de crecimiento máximo es la temperatura mayor en la cual el crecimiento es posible.

Condiciones de pH

pH : Potencial Hidrógeno. Va desde 0 a 14. pH < 6,5 ácido. pH > 7,5 básico o alcalino. pH 6,5 – 7,5 neutro Mas adecuado para crecimiento bacteriano. Bacterias que crecen hasta pH 4 Acidófilas (Por ejemplo: Lactobacillus). Vibrio cholerae : medio alcalino.

Acidez y alcalinidad

Al igual que con la Tº cada microorganismo tiene un rango de pH dentro del que se puede desarrollar. A diferencia de la temperatura, el pH óptimo de desarrollo suele ser un valor muy bien definido para cada microorganismo. Acidófilos: Son los microorganismos que viven a valores de pH por debajo de 2. En general los hongos tienden a tolerar valores de pH más ácidos que las eubacterias. Alcalófilos: Son aquellos microorganismos que viven a valores de pH superiores a 10.

Neutrófilos: Son aquellos microorganismos que viven a valores de pH cercano a la neutralidad (pH 6.0 a 8.0).

Presión Osmótica

La Presión osmótica está directamente relacionada con la disponibilidad de agua. La disponibilidad de agua (agua libre) se mide por un parámetro llamado actividad de agua o potencial de agua (aw) cuyos valores oscilan entre 0 y 1. El valor medio de aw para la mayoría de las bacterias oscila entre 0.90 y 0.98. A valores menores de aw, más dificultad tienen las bacterias para sobrevivir. Los solutos (sales y azúcares) disueltos se desplazan a zonas de menor concentración. El agua se desplaza a zonas de mayor concentración de solutos. Una presión osmótica alta causa pérdida de agua y plasmólisis de la célula. Bacterias OSMOTOLERANTES son aquellas que pueden adaptarse a vivir en medios con elevadas concentraciones de sales, o solutos en general. No todas lo son Si nos referimos a la concentración de sales, las bacterias pueden ser. HALOTOLERANTES: pueden soportar una reducción leve del valor de aw (Staphylococcus aureus, aw=0,9) HALOFILOS: requieren bajas (1-6%) o moderadas (6-15%) concentraciones de sal para crecer. Microorganismos marinos. HALOFILOS EXTREMOS: crecen en ambientes muy salinos. (15-30% de sal). Arqueas halófilos extremos.

Oxígeno

No todas las bacterias necesitan Oxígeno para vivir, muchas pueden hacerlo en ausencia total o parcial de este elemento. Hay microorganismos que viven en ambientes anóxicos, sedimentos, tracto digestivo de los animales o grandes profundidades, entre otros. El Oxigeno es un POTENTE OXIDANTE y es el mejor aceptor de electrones para la respiración, pero también puede ser letal para las bacterias, ya que a partir de él se generan formas tóxicas durante el proceso de reducción hasta agua, el radical superóxido y el peróxido de Hidrógeno. Estos productos oxidan los compuestos orgánicos, Incluyendo las macromoléculas. Según su relación con el Oxígeno, las bacterias pueden ser: Aerobias obligadas (a): Crecen a tensiones normales de Oxigeno (21% en el aire) y lo utilizan como aceptor final de electrones de sus cadenas respiratorias. Microaerofilas (b): son aerobios que crecen a bajas tensiones de Oxígeno (2-10%). Anaerobias estrictas (c): No pueden vivir en presencia de Oxígeno porque es tóxico para ellas. Utilizan otros aceptores de electrones o bien tienen metabolismo fermentativo exclusivamente. Anaerobias aerotolerantes (d): Pueden crecer bien tanto en presencia como en ausencia de Oxígeno. Anaerobias facultativas (e): No precisan oxígeno para crecer pero lo hacen mejor en su presencia.

Metabolismo Bacteriano

Conjunto de reacciones o transformaciones químicas que tienen lugar en un microorganismo para mantener su viabilidad. Procesos o reacciones Catabólicas( Degradan nutrientes y Liberan energía). Procesos o reacciones Anabólicas ( Tienden a unir moléculas y Reacciones de síntesis que consumen energía).

Producción de energía

Hay tres procesos fundamentales para la producción de energía: respiración aeróbica, respiración anaeróbica y fermentación, difieren sobre todo por la molécula o moléculas que sirven como aceptor terminal de electrones. Las bacterias metabolizan una cantidad muy amplia de sustratos, que alimentan los ciclos metabólicos en diversos sitios. Así hay bacterias que producen energía a partir de ácidos.

Respiración aeróbica

Deben contar con los ciclos metabólicos para transformar estas sustancias en productos que puedan metabolizarse aún más mediante vías metabólicas centrales, como la vía de EMBDEN- MEYERHOF (glucólisis) o el CICLO DE ACIDO TRICARBOXÍLICO (ciclo llamado también CICLO DE KREBS). Los aerobios y los anaerobios facultativos metabolizan la glucosa en forma aeróbica mediante la respiración aeróbica.

Respiración anaeróbica

Algunos anaeróbicos y anaerobios facultativos metabolizan los azúcares por vía anaeróbica a través de la glucólisis y el ciclo de Krebs. Algunos microorganismos anaeróbicos y facultativos emplean nitratos como aceptores finales de electrones en condiciones anaeróbicas al transformarlos en nitritos. Se utiliza la prueba de REDUCCION DE NITRATOS, para determinar esta propiedad y así ayudar a la identificación de microorganismo.

Fermentación

Ocurre en microorganismos facultativos y en algunos anaeróbicos que crecen en ausencia de oxígeno atmosférico. Su característica es que el ácido orgánico actúa como aceptor terminal de electrones. Algunos anaerobios del género Clostridium, fermentan aminoácidos y producen sustancias como cadaverina y putrescina a manera de productos terminales, olor desagradable.

Crecimiento Bacteriano

Cambio en el número de células por una unidad de tiempo determinada.

Tiempo de generación (duplicación): Tiempo requerido para que una célula se divida en dos. El tiempo puede ser minutos, hora o días.

Fase de Latencia

El número de microorganismos no varía. Adaptación al medio, producción de enzimas. Tiempo variable: entre una hora a días. Tamaño relativo aumentado por división.

Fase exponencial o de crecimiento logarítmico

Relación casi lineal entre el tiempo y el número de elementos. Actividad metabólica incrementada. Depende del tiempo de generación de cada bacteria. Los antimicrobianos son más activos. Puede haber variaciones entre el crecimiento in vitro e in vivo.

Fase Estacionaria

En determinado punto el crecimiento disminuye. La población no aumenta. Células nuevas reemplazan a las células muertas. Actividad metabólica más lenta. Células en animación suspendida. Producción de metabolitos secundarios (Antibióticos y Toxinas). Fase de Esporogénesis para las especies productoras de Esporas.

Fase de declinación o muerte

Recuento de células disminuye sensiblemente. El numero de células muertas supera al número de células vivas. Acumulación de productos tóxicos. Disminución de nutrientes. Aparición rápida: autolimitar diseminación infecciones.

Tratamiento de aguas residuales

El tratamiento de aguas residuales consiste en una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen como fin eliminar los contaminantes físicos, químicos y biológicos presentes en el agua efluente del uso humano. Estos procesos de tratamiento son típicamente referidos aun: Tratamiento primario (asentamiento de sólidos). Tratamiento secundario (tratamiento biológico de la materia orgánica disuelta presente en el agua residual, transformándola en sólidos suspendidos que se eliminan fácilmente). Tratamiento terciario (pasos adicionales como lagunas, micro filtración o desinfección).

Tratamiento Secundario

Está diseñado para degradar sustancialmente el contenido biológico del agua residual, constituye una serie de importantes procesos de tratamiento que tienen en común la utilización de microorganismos (entre las que destacan las bacterias) para llevar a cabo la eliminación de componentes indeseables del agua, aprovechando la actividad metabólica de los mismos sobre esos componentes. La aplicación tradicional consiste en la eliminación de materia orgánica biodegradable, tanto soluble como coloidal, así como la eliminación de compuestos que contienen elementos nutrientes (N y P). Es uno de los tratamientos más habituales, no solo en el caso de aguas residuales urbanas, sino en buena parte de las aguas industriales.

La Digestión Anaerobia

Es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica; como no hay presencia de un oxidante en el proceso, la capacidad de transferencia de electrones de la materia orgánica permanece intacta en el metano producido. En vista de que no hay oxidación, se tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la materia orgánica digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es convertida en lodo (3 a 10%). En las reacciones bioquímicas que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía libre es liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química en el metano producido.

La Digestión Aerobia

En este tipo de tratamiento se llevan a cabo procesos catabólicos oxidativos. Como el catabolismo oxidativo requiere la presencia de un oxidante de la materia orgánica y normalmente este no está presente en las aguas residuales, él requiere ser introducido artificialmente. La forma más conveniente de introducir un oxidante es por la disolución del oxígeno de la atmósfera, utilizando la aireación mecánica, lo que implica altos costos operacionales del sistema de tratamiento. Adicionalmente la mayor parte de la DQO de la materia orgánica es convertida en lodo, que cuenta con un alto contenido de material vivo que debe ser estabilizado.

FUNCIONAMIENTO Y TIPOS DE REACTORES ANAEROBICOS

Los reactores anaerobios son bioreactores que pueden ser utilizados para tratar efluentes domésticos o industriales con altas cargas orgánicas, estos pueden utilizarse solos o con unidades de pos-tratamiento para producir un efluente final adecuado para su disposición final.

El reactor anaerobio consiste en un equipo donde se lleva a cabo un proceso bacteriano que se realiza en ausencia de oxígeno. El proceso puede ser la digestión termofílica en la cual el lodo se fermenta en tanques a una temperatura de 55 °C o mesofílica, en la cual el proceso se lleva a cabo a una temperatura alrededor de 36 °C. En el reactor anaerobio se genera biogás conformado en una parte elevada de metano que se puede utilizar para la producción de energía dentro de la planta. En plantas de tratamiento grandes, se puede generar más energía eléctrica dela que las máquinas requieren.

Los reactores biológicos utilizados para el tratamiento de aguas residuales pueden ser divididos en dos grandes grupos en base a tipo de crecimiento microbiano De lecho fijo, formando biopelículas: La biomasa está constituida por bacterias formando una película sobre un soporte inerte. De crecimiento libre o suspendido: Dependen de que los microorganismos formen gránulos o flóculos en el reactor.

Reactores con la biomasa unida a soporte.

Filtros anaerobios (AF). La biomasa se encuentra unida a un medio inerte o atrapada en él. El afluente atraviesa el reactor con flujo vertical, bien ascendente o descendente. El tamaño de dichas partículas es relativamente grande y su tasa de colonización por parte de las bacterias depende de la rugosidad, porosidad, tamaño de poro. Biodiscos (ARBC). El soporte, constituido por una serie de discos paralelos, se encuentra casi totalmente sumergido y gira lentamente sobre un eje horizontal dentro del tanque cerrado por el que fluye el medio a tratar. Reactores de contacto con soporte (CASBER). Estos reactores son, en esencia, idénticos a los sistemas de contacto pero con la incorporación de un medio inerte en el reactor. La cantidad de material soporte es pequeña, sus dimensiones también lo son y tienen baja velocidad de sedimentación. Reactores de lecho fluido y lecho expandido (FB/EB). Técnicamente, un reactor FEB es una estructura cilíndrica, empaquetada hasta un 10% del volumen del reactor con un soporte inerte de pequeño tamaño lo que permite la acumulación de elevadas concentraciones de biomasa que forman películas

alrededor de dichas partículas. Reactor de mezcla completa. Es el digestor anaerobio más simple. Viene a ser un cultivo microbiano continuo, con una entrada continua de medio y una salida continua de residuos (agua tratada) y exceso de biomasa.

Reactor de contacto

Parte del lodo digerido y sedimentado se recircula al digestor, donde se mezcla con el influente no digerido. La reinoculación de una biomasa bien aclimatada permite mantener óptimas condiciones de funcionamiento del proceso. Se utiliza para el tratamiento de aguas residuales diluidas con cargas entre 2 –7 kg DQO/m3.d. En este proceso la operación esencial es la separación sólido/líquido, lo cual ofrece serios problemas, dadas las características de este tipo de lodos, y el continuo desprendimiento de burbujas de gas que dificulta enormemente el proceso de separación, por lo que hay que recurrir previamente a sistemas de desgasificación. Una reducción en la temperatura de 35 a 15 ºC detiene la producción de gas en el clarificador y favorece la floculación de los sólidos.

Reactor de flujo ascendente con lecho/manto de lodos

En la zona de digestión, el afluente ingresa por la parte baja y fluye de forma ascensional por el reactor a través de un manto de lodos (biomasa), el cual se mantiene en suspensión por la fuerza hidrodinámica del flujo. En la medida en que el caudal de aguas residuales fluye a través del manto de lodos, la materia orgánica se pone en contacto con la biomasa suspendida que la adhiere y la digiere en ausencia de oxígeno, dando lugar a la formación de biogás (CH4 y CO2). El agua residual tratada, libre de la mayor parte de la materia orgánica granulada que fue retenida en el manto de lodos, abandona la zona de digestión e ingresa a la zona de sedimentación ubicada en la parte superior del tanque; allí unas tolvas o campanas deflectoras (llamadas también separadores GLS o separadores de 3 fases: gas, líquido y sólido). Permiten separar el líquido de los sólidos (algunos) que tienden a escaparse del manto de lodos y salir juntamente con el efluente; también se recolecta el biogás generado, el cual es llevado a un sistema de aprovechamiento (como combustible para generar calor o energía) o para ser quemado.

Reactor con deflectores

Está formado por un único tanque con una serie de deflectores o paneles internos verticales que fuerzan el paso del agua entre ellos. El efluente y los lodos se deben manejar con cuidado ya que contienen altos niveles de organismos patógenos.

El efluente y los lodos se deben manejar con cuidado ya que contienen altos niveles de organismos patógenos. Para prevenir la liberación de gases potencialmente dañinos, el tanque debe tener ventilación. Las cámaras de flujo ascendente proporcionan eliminación adicional y digestión.

La mayoría de los sólidos de sedimentación son eliminados en la cámara de sedimentación en el inicio del ABR, que normalmente representa el 50% del volumen total.

ANÁLISIS, IMPORTANCIA Y MEDICIÓN DE LA DBO Y DQO.

La DBO o Demanda Bioquímica de Oxígeno es la cantidad de oxígeno que necesitan los microorganismos para degradar la materia orgánica biodegradable existente en un agua residual.

La DQO o Demanda Química de Oxígeno es la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar toda la materia orgánica y oxidable presente en un agua residual.

Demanda Bioquímica de Oxígeno

DBO la cantidad de oxígeno que los microorganismos, especialmente bacterias (aeróbias o anaerobias facultativas: Pseudomonas, Escherichia, Aerobacter, Bacillius), hongos y plancton, consumen durante la degradación de las sustancias orgánicas contenidas en la muestra.

Es un método aplicable en aguas continentales (ríos, lagos o acuíferos), aguas negras, aguas pluviales (Aguas con materia orgánica). No es aplicable, sin embargo, a las aguas potables, por no contenido bajo de este.

Por qué a los cinco días

Se ha estandarizado la medición a 5 días. La razón de los 5 días es principalmente debido a una tendencia impuesta por los británicos, ya que es el tiempo en el que el agua del río Tamesis, al sur de Inglaterra, tarda en llegar al mar desde que nace. La DBO 5 , se mide a una temperatura de 20 ºC, durante 5 días y en la oscuridad . Corresponde a una degradación de la materia orgánica biodegradable entre el 60 y el 70%. También, se puede medir la DBO 21 , y corresponde a la degradación de la materia orgánica biodegradable entre el 95 y el 98%. No es común. El método pretende medir la concentración de contaminantes orgánicos. Sin embargo, también intervienen la oxidación de nitritos y de las sales amoniacales, susceptibles de ser también oxidadas por las bacterias en disolución. Por esta razón, si en las aguas residuales hay microorganismos capaces de oxidar la materia nitrogenada a nitratos, esto ocasiona un aumento en la DBO. A partir del 5 o 6 día y aparece este aumento que se denomina DBO nitrogenada. Para evitar este hecho, se añade N-aliltiourea como inhibidor.

Demanda Química de Oxígeno

La Demanda Química de Oxigeno ó DQO, llamada también demanda inmediata, es la cantidad de oxígeno que sustancias reductoras, como la materia orgánica, presentes en un agua residual necesitan para descomponerse, sin la intervención de microorganismos. La DQO no diferencia la materia orgánica biológicamente oxidable y la biológicamente inerte.

La OPS maneja como criterios para calificar la contaminación de los ríos y quebradas los siguientes parámetros: Río muy limpio DQO < 2 mg/L. Río limpio DQO: 2,5 mg/L.Río sucio DQO: 5 mg/L. Río en malas condiciones DQO > 7mg/L.

En el análisis de la DQO se utiliza el Dicromato de potasio como oxidante, dado que es capaz de oxidar casi todos los compuestos orgánicos excepto los ácidos grasos de bajo peso molecular, los cuales requieren catalizadores como Ion plata, y la piridina y los hidrocarburos aromáticos que no pueden ser oxidados. El ensayo se realiza a temperaturas elevadas (150°C), para facilitar la oxidación de compuestos orgánicos e inorgánicos, también es necesario un catalizador como lo es el sulfato de plata.

Importancia de la DBO y la DQO

Los valores de DBO y DQO son útiles para ayudar a determinar el tipo de tratamiento que requiere el efluente, ya sea biológico o fisicoquímico. Si se tiene un tratamiento biológico, ayuda a determinar que tan eficientemente está trabajando. Si la relación (DBO5/DQO) <0,2 entonces hablamos de unos vertidos de naturaleza industrial, poco biodegradables y son convenientes los tratamientos físico-químicos. Si la relación (DBO5/DQO)>0,5 entonces hablamos de unos vertidos de naturaleza urbana, o clasificables como urbanos y tanto más biodegradables, conforme esa relación sea mayor. Estas aguas residuales, pueden ser tratadas mediante tratamientos biológicos.

Ventajas de la DBO5

Es importante en el tratamiento de aguas residuales para determinar la cantidad aproximada de oxigeno que se requerirá para estabilizar biológicamente la materia orgánica presente. Se utiliza para dimensionar sistemas de tratamiento de aguas residuales (domesticas e industriales). Importante para evaluar o medir el rendimiento de algunos de estos sistemas de tratamientos.

Desventajas de la DBO5

Si no tienen los cuidados y la experiencia necesaria los resultados conducen a errores y malas interpretaciones. Otra desventaja de la DBO es que se requiere de mucho tiempo para el término del análisis, por lo que los resultados solo estarán disponibles hasta cinco días después de que se inicia la prueba.

Ventajas de la DQO

La DQO es una prueba que solo toma alrededor de 3 horas, por lo que los resultados se pueden tener en mucho menor tiempo que lo que requiere una prueba de DBO. Es posible para un agua superficial su valor de DBO y DQO, para estimar la DBO con un valor conocido de DQO.

Desventajas de la DQO

No se puede diferenciar entre la materia biológicamente oxidable y la inerte. No provee ninguna evidencia de la rata a la cual la materia activa se estabilizara bajo condiciones existentes en la naturaleza.

TEORÍA Y FUNCIONAMIENTO DEL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS

Tipos de Lodos

La composición de los lodos generados en el tratamiento de aguas residuales domésticas, observándose que sus características varían en función del proceso que les da origen.

Estabilización de Lodos

La estabilización de los lodos tiene el objetivo de: reducir la presencia de patógenos. Eliminar los olores desagradables. Reducir o eliminar su potencial de putrefacción.

Las técnicas más utilizadas para la estabilización de los lodos son: digestión aerobia. Digestión anaerobia. Estabilización con cal. tratamiento térmico.

Ejemplos de sistemas de digestión aerobia: Biodiscos, Filtrado por goteo, Humedales, Fangos

Activos.

Lodos Activados: Historia

El sistema de tratamiento de las aguas residuales mediante lodos activados, se conoció en 1914, por medio de un artículo publicado en el Journal of Chemical Industry de Inglaterra, Ellos observaron que la aireación de las aguas residuales conducía a la formación de flóculos de partículas en suspensión; descubrieron, que el tiempo para eliminar contaminantes orgánicos se reducía de días a horas cuando estos flóculos de partículas se hacían permanecer en el sistema.

Descripción del Proceso

El proceso de lodos activados recibió este nombre porque involucra la producción de una masa activa de microorganismos capaces de estabilizar de manera aerobia un desecho.

Operación básica

Pre-tratamiento / Ajuste de Aguas Residuales

En algunos casos las aguas residuales deben ser acondicionadas antes del tratamiento biológico, para evitar la inhibición o problemas operacionales. Separación sólido líquido en el Tanque de Sedimentación. Los lodos activados deben ser separados del licor mezclado provenientes del tanque de aireación, este proceso se realiza en el tanque de sedimentación, concentrándolos por gravedad. Descarga del exceso de lodos. Con la finalidad de mantener la concentración de los lodos activados en el licor mezclado una parte de los lodos son eliminados del sistema y llevados a lechos de secado para posteriormente disponer el lodo seco como residuo sólido.

Microorganismos presentes en el proceso del lodo activo: Bacterias. hongos. protozoos. rotíferos.

Factores que afectan el proceso de depuración biológica: Temperatura. PH. Actuación recíproca microorganismos vs materia orgánica. Inhibidores. Cantidad mínima de nutrientes.

Ventajas

Alta remoción de carga orgánica. Efluentes de buenas características organolépticas. Procesos estables, cuando los lodos son manejados apropiadamente. Estas plantas se caracterizan por el poco espacio que requiere su instalación. Se consigue una oxidación de las sustancias químicas, tal como la nitrificación.

Desventajas

Requiere equipo mecanizado (motor, reductor, aireadores, bombas, etc.). Alto consumo de energía. Sensibilidad del proceso a la oscilación de cargas contaminantes, de caudal y tóxicos. Eventual aspersión de partículas de agua y espumas. Sensible a bajas temperaturas. Produce gran cantidad de lodo.

TRATAMIENTO DE LODOS

Definición

Los materiales sólidos y semisólidos removidos del agua residual en plantas de tratamiento son considerados como lodos. Los residuos orgánicos del tratamiento primario y secundario constituyen la mayoría de los lodos, pero también incluyen arena, natas y sólidos del cribado.

Tipos

Lodo Crudo: es aquel que no ha sido tratado ni estabilizado, que puede extraerse de plantas de tratamiento de aguas residuales. Produce olor. Lodo Primario: El lodo primario es producido durante los procesos de tratamiento primario de las aguas residuales. Esto ocurre después de las pantallas y desarenado y consiste en productos no disueltos de las aguas residuales. El lodo primario contiene generalmente una gran cantidad de material orgánico, vegetales, frutas, papel, etc.

Lodo activo: es aquel que proviene de la eliminación de materia orgánica de las aguas residuales que tiene lugar durante el tratamiento biológico del agua. Normalmente se caracteriza por la interacción de distintos tipos de bacterias y microorganismos, que requieren oxígeno para vivir, crecer y multiplicarse.

Lodo activo de retorno: es el que proviene del tanque de aireación biológica. Los flóculos de lodo activo sedimentan al fondo y pueden separarse del agua limpia residual. El lodo que se lleva de nuevo a tanque de aireación se llama lodo activo de retorno.

Lodo secundario: Para alcanzar una vida del lodo constante, la biomasa en exceso debe eliminarse de la planta biológica de tratamiento. El lodo en exceso contiene partículas no hidrolizables y biomasa resultado del metabolismo celular.

Lodo terciario: Lodo terciario se produce a través de procesos de tratamientos posteriores a la ex. adición de agentes floculantes. Fango/lodo digerido: Fango digerido tienen lugar en los procesos de digestión aeróbica. Tiene color negro y olor a tierra. Tiene una proporción de materia orgánica del orden de 45 a 60 %.

Espesamiento

Antes de proceder a la eliminación, o estabilización de los lodos que se han separado del agua residual es conveniente (rentable) proceder al espesamiento de los lodos; lo que permite reducir al mínimo el volumen para facilitar su manejo, transporte y almacenamiento.

Tipos de espesadores

Estáticos: Tanques circulares con fondo en forma de tolva y uno o más reboces a distintas alturas para la descarga del líquido sobrenadante. Continuos: Similares a los sedimentadores, cuentan con raspadores de fondo y varillas verticales que se mueven lentamente a través del lodo formando canales, que permiten el ascenso del agua. Espesamiento por flotación: Consiste en la separación por adhesión de las partículas presentes en el lodo a pequeñas partículas de aire que ascienden a la superficie. En este caso se logra un lodo espesado con 1 o 2 % más de sólidos que con los espesadores comunes. Por otro lado este método de separación es mucho más rápido por lo que los volúmenes requeridos son sensiblemente menores.

Para el dimensionamiento

Capacidad de espesamiento. Velocidad ascensional (influye sobre la forma de la curva de sedimentación). Altura del espesado. Tiempo de retención.

Estabilización o digestión

Digestión aerobia: Viene a ser la eliminación en presencia de aire, de la parte fermentable de los lodos. Los lodos en este proceso disminuyen de forma continua por la acción de los microorganismos existentes en el reactor biológico a la vez que se produce una mineralización de la materia orgánica. Los productos finales de este proceso metabólico son anhídrido carbónico, agua y productos solubles inorgánicos. Una adecuada estabilización corresponde con una disminución de los sólidos en suspensión del 30 al 35%.

Digestión anaerobia: Se considera el método más adecuado para obtener un producto final aséptico. La descomposición de la materia orgánica por las bacterias se realiza en ausencia de aire. El oxígeno necesario para su desarrollo lo obtienen del mismo alimento. La digestión pasa por procesos de: licuefacción, gasificación y mineralización produciéndose un producto final inerte y con liberación de gases.

Fenómenos que determinan su eficacia:

Temperatura (rango óptimo 29-33ºC).Concentración de sólidos. Mezcla de fango. PH (debajo de 6.2 la supervivencia de microorganismos productores de métanos es imposible). Ácidos volátiles. Estabilización química: es aquella que se realiza por la adición a los lodos de productos químicos que los inactivan generalmente se usa cal que aumenta el pH, lo que dificulta la acción biológica de los lodos; favoreciéndose la liberación de amoniaco (le quita valor fertilizante al lodo).

Deshidratación de fangos

La eliminación de agua de los lodos se consigue mediante espesado, deshidratación y secado. Para eliminar el agua libre e intersticial es suficiente con el proceso de espesado. Para la separación del agua capilar y de adhesión es necesario una deshidratación donde se precisan fuerzas mecánicas en centrifugas y filtros. Cuando se desea eliminar el agua de adsorción y de constitución se requieren energía térmica. La elección del método más adecuado dependerá del contenido en materia seca deseada en el lodo final, el costo del método y características del lodo.

Desinfección

Es el proceso mediante el cual se trata de eliminar una gran cantidad de organismos patógenos presentes en los lodos y que pueden suponer un riesgo sanitario en su utilización. En la actualidad no es un proceso generalizado, pero países como Suiza, Alemania ya contempla en su legislación normas sobre desinfección de lodos con fines agrícolas. Los métodos que se utilizan son la pasteurización que somete a los lodos a temperaturas de 70ºC y durante 30 minutos, el compostaje y la estabilización termofílica aerobia o anaerobia que provoca temperaturas de 60ºC y un pH de 8 durante 48 horas o 24 horas si el pH es diferente.

Posible destino de los lodos:

Utilización en agricultura como abono (digestión aerobia. Digestión anaerobia). Recuperación de terrenos agotados (digestión aerobia. Digestión anaerobia). Recuperación de energía eléctrica, mecánica y calorífica (incineración). Compostaje (sin digestión). Vertidos directamente al mar, ríos, lagos. Relleno de terrenos, escombreras, minas abandonadas, pantanos, etc.

Mecanismos para tratar los lodos

Lechos de Secado:

Los lechos de secado funcionan en forma similar a un filtro por gravedad. Son estanques de muy poca profundidad. El fondo es construido de hormigón con pendiente que permite el drenaje de los líquidos filtrados. Sobre el fondo existe una estructura de caños perforados que recogen el filtrado. Sobre éstos se coloca el medio filtrante constituido por materiales granulados de tamaño decreciente hacia la superficie. Se utiliza grava, piedra partida o cantos rodados recubiertos por

una capa de arena de 20 a 30 cm. Sobre la arena se colocan tejuelas con arena en las juntas para permitir la fácil remoción del lodo seco. En general se utilizan varias celdas para lograr mayor eficiencia. La forma de operación consiste en el llenado de los lodos en capas no superiores a los 30 cm. Además de la filtración por gravedad existe una pérdida importante de líquido por evaporación. El dimensionamiento depende de las condiciones climáticas, características del lodo, ubicación del terreno y valor de la tierra. En lugares con balances de agua desfavorables se pueden utilizar coberturas de tipo invernadero e incluso la ventilación forzada. Como resultado se obtienen lodos con 60 a 80 % de humedad con tiempos de 10 a 15 días.

Las ventajas de los lechos de secado son su fácil construcción, bajo costo de inversión, necesidad de mano de obra no especializada, poco y fácil mantenimiento. Presentan como desventajas la necesidad de terreno y mano de obra para el retiro del lodo seco, así como también puede haber problema de olores.

Centrifugación

La separación sólido - líquido en las centrífugas se da por acción de fuerzas centrífugas, de magnitud normalmente del orden de 10.000 veces mayor a la gravedad. La centrífuga consiste en un rotor cilíndrico cónico dentro del cual existe un tornillo helicoidal, ambos girando a gran velocidad en el mismo sentido. Debido a que la velocidad del tornillo es ligeramente inferior a la del rotor, se simula el efecto de un sinfín lento. El lodo se introduce en el rotor por medio de un tubo de alimentación central, siendo impulsado hacia la periferia del rotor por acción de la fuerza centrífuga. Las partículas sólidas, al ser más pesadas que el agua, se depositan en la pared del rotor dejando circular el agua, la cual rebosa por las salidas ubicadas del lado de mayor diámetro del rotor. Los lodos que se van acumulando en la pared del rotor, son continuamente arrastrados a lo largo de la zona cónica y dejan la centrífuga por las salidas ubicadas del lado de menor diámetro. Dentro de las ventajas de esta tecnología se destacan la alta eficiencia, la necesidad de espacio reducido y el bajo costo. Como desventajas se señalan el desgaste mecánico, la potencia consumida y la presencia de los sólidos finos en el efluente.

Filtros de Banda

El principio consiste en escurrir el lodo entre dos bandas sin fin bajo presión. Inicialmente el lodo debe ser acondicionado químicamente en un tanque de mezcla. El lodo acondicionado es colocado sobre la banda inferior donde ocurre drenaje por gravedad. A partir del punto donde las bandas se encuentran el lodo es transportado entre ellas. Las bandas se desplazan entre rodillos que provocan compresión sobre el material. La utilización de rodillos de distinto diámetro permite aumentar la presión y cambiar la dirección de la banda ejerciendo un efecto de cizalladura. Al final del circuito el lodo deshidratado se separa por gravedad con ayuda de un raspador. La parte de la banda que regresa es limpiada en forma continua por medio de chorros de agua. El ancho de la banda varía entre 0,5 y 3,5 m, las cargas volumétricas oscilan entre 2 a 5 m3/m.h y las másicas entre 90 a 680 kg/m.h. Dependiendo del tipo de lodos se pueden obtener tortas con 10 a 35 % de sólidos. Como ventajas se pueden señalar el bajo costo (similar a centrífuga), el bajo consumo de energía y reducida necesidad de mano de obra. Dentro de las desventajas tenemos la alta sensibilidad al tipo de lodo y la corta vida útil de la tela filtrante.

Filtros Prensa

Consisten en una serie de placas que se soportan sobre una estructura de tipo bastidor. Las placas, cuyas superficies son ranuradas, están recubiertas por una tela filtrante. Cuando se juntan y presionan las placas se forma una cavidad entre ellas que será progresivamente ocupada por el lodo. Se utilizan presiones elevadas de 40 a 150 N/cm2 durante períodos de hasta tres horas. La capacidad de filtración oscila entre 5 a 15 kg/m2h, logrando tortas de 2 a 3 cm de espesor. Se obtienen tortas con 40 a 60 % de sólidos y una separación prácticamente completa del material en suspensión. Finalmente las placas se separan y la torta cae por gravedad, luego se lavan los filtros, se inspeccionan y se vuelve a repetir el ciclo. El ciclo completo puede durar hasta 5 horas. El lodo puede requerir acondicionamiento químico previo o se puede utilizar una capa de pre-revestimiento como ayuda filtrante. Las ventajas son la alta eficiencia de la separación de sólidos, el alto porcentaje de sólidos en la torta, la gran variedad de tamaño de placa (hasta 2x2m) y la posibilidad de usar hasta 150 placas o más. Como desventajas tenemos costos de inversión mayores que para las centrífugas y los filtros de bandas, el mantenimiento de los filtros y la mano de obra requerida.

Filtros de Vacío

Consiste en un tambor perforado, dividido en varias celdas independientes en las cuales puede aplicarse, en forma programada, ciclos de vacío por medio de una bomba exterior, un cabezal de control y las tuberías correspondientes. El tambor gira parcialmente sumergido (aproximadamente 1/3) en una cuba, en la cual por medio de un agitador se mantiene en suspensión la solución de lodo, que es alimentada en forma continua. Sobre el tambor se coloca una tela que constituye el medio filtrante. La velocidad de giro depende de las características del lodo. El cabezal de control permite dividir el cilindro en tres secciones por las cuales las celdas pasan sucesivamente por los siguientes pasos: filtración, lavado y desecado, descarga. La carga másica oscila entre 10 a 30 kg/m2h y se logran tortas con contenidos de sólidos entre 20 y 30 %. Esta tecnología, que generalmente se utiliza para grandes instalaciones, tiene como ventajas la alta capacidad de carga, el alto contenido de sólidos en la torta y la posibilidad de acoplar lavado. Como desventajas se citan el costo de inversión y mantenimiento y el consumo de energía.

EFECTOS DE LA DESCARGA DE AGUAS RESIDUALES EN LOS RIOS.

Que son las aguas servidas

Al hablar de aguas residuales no referimos al tipo de agua que está contaminada simplemente. Son aguas que no tiene ningún valor inmediato para el fin que se utilizó ni para el propósito para el que se produjeron.

Estas aguas pueden definirse entonces de la siguiente manera, que son el conjunto de aguas que lleva elemento extraños, bien sea por causas naturales o bien sea provocadas de forma directa o indirecta por la actividad humana.

Las aguas residuales o servidas, son residuales ya que habiendo sido usadas constituyen un residuo, algo que no sirve para el usuario directo. En algunos casos se menciona que estas aguas tienen una diferencia y que las aguas servidas y las aguas residuales no son lo mismo, en el sentido de que las primeras solo provienen del uso doméstico y las segundas corresponden a la mezcla de aguas domésticas e industriales. En todo caso, están constituidas por todas aquellas aguas que son conducidas por el alcantarillado e incluyen, a veces, las aguas de lluvia y las infiltraciones de agua del terreno.

Es importante tomar en cuenta que estas aguas son de alto contenido contaminante, ya que llevan desechos orgánicos y algunas sustancias toxicas que a su vez contaminan aquellos sistemas en los que son evacuadas. Las mismas para su disposición requieren de sistemas de canalización, tratamiento y desalojo, ya que su manejo nulo o indebido genera graves problemas de contaminación.

TIPOS DE AGUAS SERVIDAS

La clasificación de las aguas residuales se hace con respecto a su origen, ya que este parámetro es el que va a determinar cuál es la composición de la misma. Las categorías o clasificación es la siguiente: Aguas blancas: que son procedentes de la lluvia, deshielo, limpieza urbana y aguas provenientes del contacto humano mínimo. Aguas residuales urbanas o Aguas Negras: estas proceden de las actividades domésticas, contienen detritus, detergentes, aceites, microorganismos y materia orgánica. Aguas Residuales Industriales: son procedentes de diversas industrias y tienen una composición muy variada. Aguas Residuales Agrícolas: que proviene de explotaciones que contienen altas cantidades de abono y fertilizantes.

CARACTERÍSTICAS Y COMPOSICIÓN

Como mencionamos anteriormente las aguas residuales dependiendo de su procedencia pueden clasificarse de varias formas, ya que esto permite realizar su análisis. Pero hasta ahora no se ha mencionado de forma más amplia, cual es la composición de estos tipos de aguas o que las caracteriza. Básicamente, las aguas residuales están compuestas de una combinación de líquidos de desagües de viviendas, comercios, edificios, oficinas e industrias. También de aguas subterráneas, superficiales y de lluvia que circulan por los espacios libres y son conducidas a las alcantarillas. Además de esto las aguas residuales se caracterizan por tener una composición química, física y biológica particular.

Parámetros Físicos

El agua natural, potable o no contaminada simplemente, consta de ciertas características físicas que la hacen apta para el contacto o consumo humano. Pero estas características se

alteran cuando entran en contacto o son contaminadas ya sea directa o indirectamente con aguas residuales. Por una parte pueden estas no ser tóxicas en sí, pero afectan la calidad del agua y el medio acuático que hay en ellas. Los parámetros físicos que sufren alteraciones mediante la presencia de aguas residuales son:

El caudal, el cual no es uniforme ya que varía en función del consumo de agua potable, el desarrollo económico y social, las estaciones del año, y otras circunstancias especiales . La temperatura, es más elevada que la del agua de suministro, ya que varía por el uso doméstico de agua caliente. También alcanza temperaturas elevadas por las aguas industriales, por lo que antes deberían ser tratadas. Este aumento en la temperatura favorece el crecimiento de organismos indeseables. El color, normalmente tiene una tonalidad gris, pero cuanto más contaminada esté el agua y carezca de oxigeno se va tornando negruzca. Las descargas de aguas residuales industriales por otro lado pueden tener diversos colores. El olor, presentan un olor desagradable, ya que no hay oxígeno y se forman sulfuros que dan el olor fétido al agua. La turbidez que se genera por la materia en suspensión. La conductividad, es superior a la del agua potable. Los sólidos suspendidos, que se suponen deben de ser del 0.1%

Parámetros Químicos

La composición química de las aguas residuales es muy variada. Las mismas están formadas por un 99% de agua y un 1% de sólidos en suspensión y solución. Estos sólidos se pueden clasificar en orgánicos e inorgánicos. Algunos de los efluentes cambian la concentración de los componentes químicos naturales del agua, causando así que estos tengas niveles anormales. Esto de igual manera actúa en el detrimento de los organismos acuáticos y de la calidad del agua en general.

Materia Orgánica

Se refieren a todos los desechos de carácter humano o animal. Mayormente estos componentes suelen ser:

Excretas humanas y animales. Aceites y grasas, que forman una capa en la superficie del agua impidiendo la oxigenación y penetración de la luz solar .Tensioactivos, que son sustancias provenientes de los detergentes y otros. Algunos pueden ser biodegradables, pero otros no lo son. Estos consumen el oxígeno en el agua y generan espumas, impidiendo la penetración de la luz solar y la oxigenación. Plaguicidas, que inhiben la acción depuradora de las bacterias en altas concentraciones. La concentración de los materiales orgánicos en el agua se determina a través de la DBO5, la cual mide el material orgánico carboneo principalmente. También mediante la DQO y la COT (Carbono Orgánico Total).

Materia Inorgánica

Los sólidos inorgánicos están formados principalmente por elementos como nitrógeno, fósforo, cloruros, sulfatos, carbonatos, bicarbonatos y algunas sustancias tóxicas como arsénico, cianuro, cadmio, cromo, cobre, mercurio, plomo y zinc.

La presencia de estos elementos se puede medir mediante parámetros como: Grado de acidez (pH), El potencial Redox , Alcalinidad.

Parámetros Bacteriológicos

Las aguas residuales contienen gran cantidad de microorganismos, muchos de estos patógenos aportados por las excretas humanas o de animales, ya sean enfermos o portadores. Es por esto que una de las razones más importantes para tratar las aguas residuales o servidas es la eliminación de todos los agentes patógenos de origen humano con el propósito de evitar una contaminación biológica al cortar el ciclo epidemiológico de transmisión. Los patógenos presentes en el agua pueden ocasionar trastornos leves como diarreas o enfermedades muy graves como el cólera, ya que estos microorganismos permanecen en el agua, en los lodos o esparcidos en terrenos contaminados con estas aguas durante días o meses, manteniendo su poder infectante.

En lugares donde no se evacuan las aguas de forma adecuada, la incidencia de enfermedades transmitidas por vía hídrica es mucho mayor. Con frecuencia en las aguas residuales podemos encontrar microorganismos como: Coliformes totales y fecales .Virus . Bacterias ( Escherichia colo, shigella, yersinia , Salmonella , Vibrio cholerae , Bacillus anthracis , Brucellas , Mycobacterium , Leptospira ) Hongos .Algas. Protozoos y amebas .Helmintos.

Materia en Suspensión y Material Disuelto

Para los efectos del tratamiento del agua, la gran división es entre materia en suspensión y materia disuelta. Por un lado la material es suspensión se separa por tratamientos fisicoquímicos, variantes de la sedimentación y filtración. En el caso de la materia suspendida sólida se trata de separaciones sólido – líquido por gravedad o medios filtrantes y, en el caso de la materia aceitosa, se emplea la separación líquido – líquido, habitualmente por flotación.Por otra parte la materia disuelta puede ser orgánica, en cuyo caso el método más extendido es su insolubilización como material celular (y se convierte en un caso de separación S-L) o inorgánica, en cuyo caso se deben emplear caros tratamientos fisicoquímicos como la ósmosis inversa. Los diferentes métodos de tratamientos atiendes al tipo de contaminación: para la materia en suspensión tanto orgánica como inorgánica, se emplea la sedimentación y la filtración en todas sus variantes. Para la materia disuelta se emplean los tratamientos biológicos (a veces la oxidación química) si es orgánica, o los métodos de membranas, como la ósmosis, si es inorgánica.

Causas de la contaminación

Como hemos mencionado antes, la contaminación de las corrientes de agua por el contacto con aguas residuales se da principalmente por la falta de conciencia y la irresponsabilidad del

ser humano, quien no tiene los cuidados necesarios para que esto no ocurra. Acciones como depositar basura en los ríos, el mal manejo y disposición inadecuada de químicos, desecho de desperdicios tóxicos y otros, son algunas de las principales causas de que cada día más ríos estén contaminados.

Consecuencias y como afecta esta al ser humano

Algunas de las consecuencias que acarrean estas descargas son:

Aparición de fangos y flotantes, aparición de sedimentos de fango en el fondo de dichos cauces, alterando la vida acuática a este nivel, ya que dificulta la transmisión de gases y nutrientes a los organismos que viven en el fondo. Agotamiento del contenido en oxígeno, el consumo excesivo de oxígeno produce la muerte masiva de seres vivos, además se desprenden malos olores como consecuencia de la aparición de procesos bioquímicos anaeróbicos. Daños a la salud pública, fomentan la propagación de virus y bacterias patógenos para el ser humano. Eutrofización, Un aporte elevado de nitrógeno y fósforo en los sistemas acuáticos propicia un desarrollo masivo de los consumidores primarios de estos nutrientes; zoo y fitoplanton y plantas superiores. Estas poblaciones acaban superando la capacidad del ecosistema acuático, pudiendo llegar a desaparecer la masa de agua. Otros efectos, Pueden ser muy variados y van a ser consecuencia de contaminantes muy específicos, como valores de pH por encima o por debajo de los límites tolerables, presencia de tóxicos que afecta directamente a los seres vivos, etc.

Medidas de precaución

Las buenas prácticas son importantes en la gestión del recurso agua, ya que este es un recurso importante para la subsistencia de la vida. Algunas de estas medidas de precaución que debemos realizar serán las que tengan por finalidad: Disminuir el gasto de agua, disminuyendo su consumo o reciclando y reutilizando al máximo el suministro. Extraerla con el menor deterioro posible de los ecosistemas, es decir, dejando una parte para el desarrollo normal de ríos, humedales y acuíferos subterráneos . Devolverla a las aguas naturales en condiciones aceptables para que el impacto sobre los ecosistemas sea mínimo. Realizar esta depuración o descontaminación con un mínimo gasto energético e impacto ecológico. En los países donde se han realizado programas de lucha contra la contaminación de las aguas, estos programas han conducido siempre a una reducción de la demanda de agua, incluso en los países húmedos. Estas experiencias serían aún de mucho más interés en los países situados en áreas con escasez de agua. En el caso de la industria, la reducción del consumo de agua fue drástica, en poco tiempo se redujo

a menos de la mitad; las industrias se dieron cuenta de que salía mucho más barato reciclar el agua que depurarla.

Tipos de tratamientos

Algunos de los métodos de análisis más frecuentes para las aguas residuales son:

Determinación de Sólidos Totales, determina el peso de la fracción orgánica de los sólidos totales de una muestra de agua. Determinación de la DBO, que un parámetro que mide la cantidad de materia susceptible que puede ser consumida u oxidada por medios biológicos que contiene una muestra líquida, disuelta o en suspensión. Mide en principio exclusivamente la concentración de contaminantes orgánicos. Es un método que constituye un medio válido para el estudio de los fenómenos naturales de destrucción de la materia orgánica, representando la cantidad de oxígeno consumido por los gérmenes aerobios para asegurar la descomposición, dentro de condiciones bien especificadas, de las materias orgánicas contenidas en el agua a analizar. Determinación de la DQO, este parámetro mide la cantidad de materia orgánica susceptible de ser oxidada por medios químicos que hay en una muestra líquida. Mide igualmente el grado de contaminación, aunque este método pretende medir exclusivamente la concentración de materia orgánica, puede sufrir interferencias por la presencia de sustancias inorgánicas susceptibles de ser oxidadas (sulfuros, sulfitos, yoduros, etc.).

PROYECTO DE SANEAMIENTO DE LA BAHÍA Y CUIDAD DE PANAMA

Como medida para contrarrestar los efectos nocivos de las descargas de aguas residuales en los ríos y tratar de regenerar la calidad del agua de los efluentes, se decidió crear un plan de saneamiento para la Bahía y la Ciudad de Panamá. Dicho sistema está compuesto de una extensa red de tuberías colectoras de estas descargas, las cuales son llevadas desde las principales cuencas de los ríos de la ciudad hasta una tubería interceptora que se encarga de llevar estas aguas por medio de sistemas de bombeo a las plantas de tratamiento de aguas residuales. Las plantas se encargan se llevar a cabo los procesos completos de restauración de la calidad de agua, activando el oxígeno que la misma ha perdido por el alto contenido de contaminantes y eliminando los sólidos y lodos en suspensión que contienen. Las aguas al ser tratadas son devueltas a los río o son dispuestas en el mar, pero ya con un contenido muy bajo de contaminación que permite que la fuente que la recibe pueda terminar con el proceso de regeneración y así contrarrestar y disminuir la cantidad de descargas nocivas que llegan a los ríos y de aquí al mar. Este proceso de devolverle la calidad al agua para que pueda ser de contacto humano, es un proceso largo y que requiere también de la concientización de nosotros los seres humanos para que este plan de saneamiento pueda dar resultados eficiente y óptimos durante su funcionamiento, ya que actualmente las aguas que son tratadas son un porcentaje muy pequeño en comparación a la cantidad de descargas de contaminadas que llegan a las cuencas de los ríos.