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Principios y microbiología del tratamiento de aguas residuales
Introducción. Composición de las aguas residuales domésticas. Demanda biológica de oxígeno. Demanda química de oxígeno. Carbono orgánico total.
Pasos del tratamiento de aguas residuales. Procesos de lodos activados. Descripción del sistema básico. Microorganismos presentes en los flóculos.
Aspectos nutricionales del proceso. Digestión anaerobia de aguas residuales
1.- Introducción.
El tratamiento de aguas residuales se inició en Inglaterra a finales del siglo XIX y principios del XX
para controlar los brotes infecciosos en las ciudades. Históricamente, el primer objetivo del
tratamiento de aguas era reducir el contenido en materia en suspensión del agua a menos de 30
mgl-1 y la demanda biológica de oxígeno (ver más adelante) a menos de 20 mgl-1. La aguas a
tratar pueden ser domésticas (compuestas de aguas negras, restos de alimentos, patógenos y
parásitos), y aguas industriales (contaminadas principalmente por compuestos xenobióticos y
metales pesados). Los objetivos del tratamiento biológico son tres: (1º) reducir el contenido en
materia orgánica de las aguas, (2º) reducir su contenido en nutrientes, y (3º) eliminar los
patógenos y parásitos.
2.- Composición de las aguas residuales domésticas.
Están contaminadas con materia orgánica facilmente biodegradable (40-60% de proteínas, 2550% de carbohidratos y 10% de lípidos, con trazas de otros compuestos). La materia orgánica
puede encontrarse como carbono disuelto (Carbono Orgánico Disuelto, COD) o en forma
particulada (Carbono Orgánico Particulado, COP). Este último puede separarse del disuelto por
decantación o por floculación.
´ Existen tres método principales para medir la cantidad de materia orgánica en el agua: (1º) la
medida de la demanda biológica de oxígeno, (2º) la de la cantidad total de carbono y (3º) la de la
demanda química de oxígeno. Todos los métodos se basan en la valoración de la cantidad de
oxígeno necesaria para oxidar diferentes fracciones de la materia orgánica presente en el agua.
2.1.- Demanda biológica de oxígeno: (DBO), es la concentración de oxigeno disuelto consumido
por los microorganismos, presentes en el agua o añadidos a ella para efectuar la medida de este
parámetro, en la oxidación de toda la materia orgánica presente en la muestra de agua. Su valor
debe ser inferior a 8 mgl-1. La DBO puede descomponerse en dos factores: (1º) la demanda de
oxífgeno para la oxidación realizada por los microorganismos quimioheterotrofos (DOH) y (2º) el
oxígeno consumido en las oxidaciones de los quimioautotrofos nitrificantes (bacterias que
oxidadoran el NH4 para obtener energía, DON).
La DOH se mide añadiendo la muestra de agua a analizar a una solución tampón que contiene las
sales inorgánicas necesarias para el crecimiento de los microorganismos y que está saturada de
O2. La muestra se incuba en estas condiciones durante cinco días a 20ºC en la obscuridad. Las
concentraciones de oxígeno se miden utilizando un electrodo de oxígeno. Es necesario añadir al
experimento un inhibidor de la nitrificación (ver más adelante). El cálculo de la DOH se hace
según la fórmula:
COH (mgl-1) = (D1-D5)/P
donde D1 y D5 son las concentraciones de oxígeno en la muestra el primero y el quinto día y P el
coeficiente de dilución de la muestra. Para realizar esta medida se necesita una población mixta
de microorganismos; si esta no es muy abundante puede suplementarse con un inóculo destinado
a la degradación del material orgánico en el tiempo requerido.
El valor de la DOH comprende todas las transformaciones oxidativas de la materia orgánica
biodegradable:
comp. orgánicos + O2 + bacterias  biomasa bacteriana + CO2 + NH4 + H2O
biomasa bacteriana + O2 + protozoos  biomasa de protozoos + CO2
El rendimiento de la conversión de la biomasa bacteriana en la de protozoos es de 0,78 mg
protozoos / mg bacterias.
La DON es la cantidad de oxígeno consumida por los microorganismos nitrificantes que oxidan el
MH4 como fuente de energía. En general, el consumo viene a ser de unos 4.57 gr O 2 por gr de
NH4 consumido; pero parte deeste nitrógeno no se oxida a NO2- o a NO3- sino que se incorpora a
las bacterias, por lo que el factor de corrección para los cáclulos es de 4.33:
DON = (Ndisponible - Nasimilado)x4.33
La DON es la causante de muchos altos valores de demanda de oxígeno en aguas con bajo
contenido de materia orgánica: en aguas ricas en NH4 la actividad de las bacterias nitrificantes
puede consumir entre el 25 y el 85% del total del oxígeno consumido.
Para distinguir entre la DOH y la DON se emplean inhibidores de la nitrificación que no afectan al
consumo heterótrofo de materia orgánica. Un inhibidor de este tipo de la 2-cloro-6(tricloro-metil)piridina.
2.2.- Demanda química de oxígeno: (DQO) es la cantidad de oxígneo requerida para oxidar
completamente la materia orgánica utilizando oxidantes químicos como el dicromato potásico
(K2Cr2O7) con ácido sulfúrico.
Los valores de la DQO han de estar en relación con los de la DBO; si la DQO es mucho mayor
que la DBO una parte importante de la materia orgánica presente en el agua no será fácilmente
biodegradable. Para las aguas domésticas, la DQO es del orgen de 250 a 1000 mgO 2 por litro,y la
relación DBO/DQO oscila entre 0.4 y 0.8. Las aguas estabilizadas biológicamente tienen una
relación DBO/DQO=0.12.
2.3.- Carbono orgánico total: (COT) se mide mediante la oxidación de la materia orgánica
mediante calor y oxígeno o mediante oxidantes químicos y se detecta mediante análisis de
infrarrojo la producción de CO2. Los valores deben ser comparables con los de la DQO.
3.- Pasos del tratamiento de aguas residuales
En el tratamiento de aguas residuales se pueden distinguir hasta cuatro etapas que comprenden
procesos químicos, físicos y biológicos: (1º) Tratamiento preliminar, destinado a la eliminación de
residuos facilmente separables. (2º) Tratamiento primario que comprende procesos de
sedimentación. (3º) Tratamiento secundario que comprende procesos biológicos (lodos activados)
y químicos (desinfección) y (4º) Tratamiento terciario o avanzado que está dirigido a la reducción
final de la DBO, la disminución de nutrientes y la eliminación de patógenos y parásitos.
4.- Procesos de lodos activados
4.1.- Descripción del sistema básico:
Tratamiento iniciado en Inglaterra a principios de este siglo y que se ha difundido mucho. consiste
en un tratamiento aerobio que oxida la materia orgánica a CO2 y agua y NH4+ y nueva biomasa. El
aire necesario para el tratamiento se proporciona mediante difusión o por tratamiento mecánico.
Durante el tratamiento los microorganismos forman flóculos que, posteriormente, se dejan
sedimentar en un tanque ad hoc denominado tanque de clarificación. El sistema básico
comprende, pues, un tanque de aireación y un tanque de clarificación por los que se hace pasar
los lodos varias veces.
Los dos objetivos principales del sistema de lodos activados son (1º) la oxidación de la materia
biodegradable en el tanque de aireación y (2º) la floculación que permite la separación de la
biomasa nueva del efluente tratado.
4.2.- Microorganismos presentes en los flóculos:
Los flóculos de lodo activado contienen partículas orgánicas, inorgánicas y bacterias. El tamaño
de las partículas varía entre 1  m y 1000  m. Las células vivas del flóculo representan entre el 5
y el 20% del total de bacterias. Los microorganismos presentes en los flóculos son bacterias,
hongos, protozoos y rotíferos.
(1º) Bacterias: constituyen el principal componente. Los géneros principales son Zooglea,
Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Bacillus, Achromobacter, Corynebacterium y
Acinetobacter; también hay formas filamentosas como Beggiatoa. Estas bacterias oxidan la
materia orgánica y producen polisacártidos y otros polímeros extracelulares que facilitan la
floculación. Los microorganismos aerobios representan una fracción importante cuyo número
varía inversamente al tamaño del flóculo puesto que la difusión de O 2 al interior se va viendo más
dificultada. En los flóculos de gran tamaño el interior es anaerobio y permite el crecimiento de
anaerobios estrictos (tales como metanógenos) que han sobrevivido fases de mayor aerobiosis en
pequeñas bolsas anaerobias internas en flóculos de menor tamaño.
Su númeo en los lodos activados llega a 108 ufcml-1 y entre ellas el grupo más importante
numéricamente es el de Pseudomonas. En los lodos activados también hay bacterias autotrofas
tales como las nitrificantes( Nitrosomonas y Nitrobacter responsables de la DON) e incluso
algunas bacterias fotosintéticas.
(2º) Hongos: Normalmente no están presentes. Sólo en condiciones ambientales muy especiales
(bajo pH, deficiencia de nitrógeno, presencia de productos tóxicos) pueden apaercer ciertos
hongos de los géneros Penicillium y Cephalosporium, entre otros.
(3º) Protozoos: Están presentes como depredadores de las bacterias. Pertenecen a los tres
grupos (ciliados, flagelados y rizópodos). La actividad de los protozoos contribuye
significativamente a la reducción de la DBO.
(4º) Rotíferos: Son metazoos de tamaño entre 100 y 500  m. Son organismos que se unen al
flóculo y desarrollan dos importantes funciones en él: (a) eliminan las bacterias libres que no se
han agregado al flóculo, y (b) contribuyen a la formación del flóculo mediante la producción de
materia fecal rodeada de capas de mucus.
4.3.- Aspectos nutricionales del proceso:
Las aguas residuales domésticas tienen una relación C:N:P de 100:5:1 lo que satisface las
necesidades nutritivas de muchos microorganismos que digieren la matera orgánica en pocas
horas transformando la DBO en biomasa. La aireación en este tanque permite (1º) mantener las
condiciones de aerobiosis que dirigen el proceso, y, (2º) mantener en suspensión los flóculos para
que puedan acceder a todo el volumen de líquido en tratamiento.
Cuando los microorganismos han reducido la cantidad de nutrientes de forma significativa entran
en una fase metabólica similar a la estacionaria y en ella producen gran cantidad de polímeros
extracelulares (por ejemplo Zooglea) que permiten la agregación del material del flóculo. Los
heteropolisacáridos que forman el núcleo del flóculo son refractarios a la biodegradación.
5.- Digestión anaerobia de aguas residuales
Consiste en una serie de procesos microbiológicos dirigidos a la digestión de la materia orgánica
con producción de metano. Es un proceso en el que pueden intervenir diferentes tipos de
microorganismos pero que está dirigido principalmente por bacterias. Presenta una serie de
ventajas frente a la digestión aerobia: (1º) muchas bacterias anaerobias pueden usar CO2 como
aceptor de electrones y, por tanto, no hay necesidad de suministrar oxígeno por lo que el proceso
es más barato. (2º) Se produce menos cantidad de lodo porque la eficiencia energética de las
bacterias anaerobias es menor: el 50% del carbono es convertido en biomasa en condiciones
aerobias y sólo el 5% en condiciones anaerobias. (3º) Se produce un gas útil. (4º) El
requerimiento energético es menor (5º) Se pueden degradar compuestos xenobióticos. Sin
embargo, se pueden citar algunos inconvenientes: (1º) Es un proceso lento, (2º) Muy sensible a
agentes tóxicos.