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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