EMPLEO DE TÉCNICAS DE BIOINDICACIÓN EN DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES
Con el objetivo de profundizar en el estudio de las técnicas de bioindicación empleadas actualmente en el control y optimización de estaciones depuradoras de aguas residuales, tratando de aplicarlas y al mismo tiempo, desarrollar nuevas técnicas y protocolos de trabajo, nos hemos unido un grupo de profesionales procedentes de distintos ámbitos, universidad y empresas dedicadas al sector de la depuración, realizando en estos años, diversos estudios y teniendo en proyecto la ejecución de varios estudios de investigación.
Los integrantes del GRUPO BIOINDICACIÓN SEVILLA son los siguientes:
INTRODUCCIÓN
El estudio de los microorganismos implicados en la depuración biológica de aguas residuales comienza en el momento que se definen equipos para este fin.
La concentración de microorganismos dentro de un recinto de aireación, para que realicen la inertización de la materia orgánica presente en el agua residual, mediante su metabolismo, implica el desarrollo de comunidades y cadenas tróficas complejas.
Los primeros estudios profundos de identificación de estos microorganismos, (bacterias y protozoos fundamentalmente), datan de la década de los 60, (Curds en protozoos y Eikelboom en bacterias) y desde entonces estos estudios se han ido desarrollando, tanto a nivel de taxocenosis como de significación ecológica aplicable al control de los mecanismos depuradores. Sin embargo, el conocimiento de estas técnicas se encuentra reducido a una elite de profesionales, pero no son de divulgación general entre los técnicos encargados de la explotación de estaciones depuradoras de aguas residuales.
Las técnicas de tinciones, cultivos y análisis de los organismos implicados están mas o menos definidas, pero necesitan de una estructuración dentro de un protocolo de análisis microbiológicos en procesos depuradores, que permita su divulgación a todos los profesionales de este campo.
El uso generalizado de este tipo de análisis en las estaciones depuradoras con tratamiento biológico, permitirá una optimización de los procesos, así como un control mejor del vertido, lo cual repercutirá en la mejora del medio ambiente, tanto a nivel de ahorro energético, como de mejora sustancial de la calidad del agua tratada en las estaciones de tratamiento de aguas residuales.
ESQUEMA DE TRATAMIENTO DE UNA EDAR CONVENCIONAL
El tratamiento sistemático de las aguas residuales, data de finales del siglo XIX y principios del XX, a raíz del descubrimiento de la relación existente entre la contaminación del agua y la transmisión de enfermedades. A lo largo del siglo XX se ha incrementado la importancia atribuida a la depuración de las aguas residuales, al mismo tiempo que el esquema de tratamiento de las EDAR ha evolucionado hasta la situación actual.
En una EDAR convencional, habría que distinguir, por una parte la línea de agua, que incluye las sucesivas etapas del tratamiento del agua residual, desde su entrada en la depuradora, hasta su vertido final una vez tratada el agua, y la línea de fangos, que consiste en el tratamiento de los fangos generados en el proceso de depuración del agua residual.
La línea de agua de una EDAR, está dividida en varios procesos unitarios. El pretratamiento y tratamiento primario, contempla el uso de operaciones físicas tales como el desbaste y la sedimentación, para la eliminación de los sólidos sedimentables y flotantes presentes en el agua residual. El tratamiento secundario consiste en un tratamiento biológico, que permite la eliminación de la mayor parte de la materia orgánica presente en el agua residual. Los procesos biológicos se utilizan para convertir la materia orgánica disuelta y finamente dividida en flóculos biológicos sedimentables que posteriormente pueden eliminarse en un proceso de decantación. Finalmente, la línea de agua de una EDAR convencional, contempla la cloración del efluente de la depuradora en caso de necesidad.
Los residuos retirados de la fase líquida en los tratamientos primario y secundario de una EDAR, se denominan "fangos".
Con respecto a la línea de fangos, la característica común de todos estos fangos, es que constituyen un residuo extremadamente líquido, de valor escaso. Todos los fangos necesitan una u otra forma de tratamiento, que normalmente se concreta en un proceso de espesamiento del fango, posteriormente una estabilización del fango, bien por un tratamiento de digestión anaerobia en plantas de grandes dimensiones o bien en una digestión aerobia en plantas pequeñas, finalmente se realiza un proceso de deshidratación del fango, con el fin de reducir su volumen, de cara al transporte y la posterior aplicación del lodo.
A continuación se adjunta un esquema de tratamiento de una EDAR convencional.
CARACTERIZACIÓN Y ESTUDIO DEL FLÓCULO DE FANGO ACTIVADO
El sistema de fangos activados, es el proceso biológico mas ampliamente empleado para la depuración de aguas residuales. Básicamente, el mecanismo general de este proceso viene representado por la siguiente reacción biológica:
Materia orgánica + Microorganismos + O2 ® Microorganismos¯ + CO2 + H2O
En términos generales, la depuración biológica por fangos activados, consiste en un tratamiento aerobio del agua residual mediante un cultivo en suspensión de microorganismos, donde tras el aporte mecánico de oxígeno, se llevan a cabo una serie de procesos de biodegradación (oxidación de la materia orgánica disuelta en el agua) y biosíntesis (producción de nueva biomasa celular), y cuya finalidad es la producción de un clarificado bajo en DBO5, sólidos en suspensión y turbiedad (efluente secundario), correctamente separado del fango activado decantado y compactado.
El fango activado se puede considerar como un cultivo en suspensión de microorganismos, compuesto por una determinada biocenosis y cuya unidad ecológica y estructural es el flóculo, constituyendo este, el núcleo alrededor del cual se desarrolla el proceso de depuración biológica.
Composición biótica del fango activado
El componente biótico mayoritario del fango activado está constituido por una amplia variedad de bacterias, llegando a representar hasta el 90-95% de la biomasa existente. Dichas bacterias, en su inmensa mayoría aerobias y heterótrofas, pueden diferenciarse en tres grandes grupos: dispersas, formadoras de flóculos y filamentosas.
El restante 5-10% se encuentra repartido entre un componente biológico, donde se engloban protozoos (flagelados, rizópodos y ciliados), metazoos (rotíferos, nematodos, gastrotricos, etc) y hongos (filamentosos) y un componente no biológico, formado por partículas orgánicas e inorgánicas (procedentes del agua residual), junto con polímeros extracelulares (mayoritariamente carbohidratos).
Dentro de la estructura del flóculo de fango activo, se admiten dos niveles: microestructura y macroestructura.
La microestructura viene determinada por los procesos de agregación microbiana y biofloculación, entendiéndose como resultado de la interacción entre polímeros extracelulares microbianos que actúan a modo de polielectrolitos. Se trata, por tanto, de la asociación existente entre las bacterias formadoras de flóculo.
La macroestructura la proporcionan los microorganismos filamentosos, formando una red o microesqueleto en el interior del flóculo, donde, de alguna manera, se adhieren las bacterias formadoras de flóculo.
Una vez definido el flóculo de fango activo y los niveles estructurales que en el se desarrollan, cabe resaltar la importancia que tiene, el estudio morfológico de dicho flóculo, ya que de estas características dependerá en gran medida una serie de factores íntimamente relacionados con la actividad biológica que desarrolle ese fango activo, así como las propiedades de decantación y compactación que presente durante la fase de clarificación.
Así mismo, es importante el diferenciar las bacterias dominantes en el fango activado, ya que esto nos va a dar una información crucial, acerca de la causa que ha motivado el crecimiento masivo de estas bacterias, lo que es de una enorme importancia de cara a la explotación de la depuradora, ya que podremos actuar para eliminar o reducir las causas que fomentan el crecimiento de una o varias bacterias filamentosas.
Con respecto a la microfauna en el proceso de fangos activados, se ha observado que se constituyen comunidades muy variadas y complejas. Su importancia radica en que se alimentan en su mayoría de bacterias dispersas (bacteriófagos), aunque algunos también se alimentan de otros constituyentes de la microfauna (depredadores carnívoros). Habría que destacar el papel de los ciliados, ya que se encuentran en gran cantidad en todos los tipos de tratamiento biológico y juegan un papel importante en el proceso de depuración y regulación del resto de la comunidad biótica, sobretodo en la regulación de la biomasa bacteriana, a consecuencia de la depredación de las bacterias dispersas en el fango activo.
SISTEMA RÁPIDO DE ESTIMACIÓN DE LOS RENDIMIENTOS DE DEPURACIÓN DE UNA EDAR EN FUNCIÓN DEL ÍNDICE DE FANGOS
La necesidad de realizar un control microbiológico en las depuradoras situadas en el ámbito de la ciudad de Sevilla, llevó a los profesionales del sector a reunirse a fin de elaborar un protocolo de análisis microbiológico del fango activo. La elaboración de dicho protocolo analítico se materializó en un índice de biocalidad del fango activo rápido y fácil que respondía a la unificación de criterios de todos los que participaron en su elaboración, que empleado de forma rutinaria en planta, permitiría una información de archivo suficientemente buena como para poder comparar datos temporales y apreciar las diferencias de funcionamiento ocurridas en el proceso de explotación.
Este sistema de análisis surge de la modificación del "Manual de Laboratorio para el análisis de las aguas residuales y lodos de depuración" editado por el Departamento de Agua y Saneamiento del Ayuntamiento de Madrid (1997). El resultado final es un informe biológico con cuatro apartados en los que se recoge:
Dado que este informe resulta laborioso y necesita de una formación específica alta, el grupo de trabajo decidió profundizar en el primer punto, "Evaluación de la calidad de un fango biológico". Así pues, a partir de la puntuación de una serie de características del fango macroscópicas (observables a través de la V30) y microscópicas (observables a través de un objetivo de 10X), se puede obtener un valor final comprendido entre 0-100 que define la calidad del fango. Este valor se denomina Índice de Fango (IF).
Para la elaboración de este índice, paso previo lo constituyó la selección de aquellos parámetros que, considerados de interés por el grupo, establecerían y valorarían las características generales del fango. Además, durante un periodo de contraste de resultados, comprendido entre junio de 1998 y septiembre de 1999, en el que todos los participantes observaron y valoraron distintas muestras de reactor biológico, el IF así como el resto de las hojas de trabajo estuvieron sujetas a modificaciones. De forma paralela, este periodo de trabajo en común permitió la unificación de criterios para los componentes del grupo, requisito indispensable para la obtención de resultados comparables.
Los parámetros seleccionados, clasificados como características macro y microscópicas, se detallan a continuación. Como características macroscópicas se entienden aquellas características observables a simple vista sobre el aspecto del fango activado y del clarificado de la V30. La V30 es un ensayo que se emplea para obtener una aproximación del comportamiento del fango en cuanto a sus propiedades de decantación y compactación y se define como el volumen que ocupa el sedimento correspondiente a 1 litro de fango activo tras 30 minutos de decantación, en una probeta de 1 litro de capacidad. Como características microscópicas se definen aquellas características observables a través del microscopio bajo un objetivo de 10X.
Tras el período de contraste y una vez establecidos los criterios generales de valoración para todos los componentes del grupo, se pasó a un periodo de recopilación de datos físico-químicos en distintas EDARs. El objetivo de esta fase del trabajo era estudiar el IF en función de las características del influente y las calidades del efluente. El estudio se realizó sobre cuatro EDARs de la ciudad de Sevilla dotadas de fangos activos en el tratamiento biológico, que trabajan a media y alta carga; una de estas plantas, además, fue estudiada en sus dos líneas de agua. Para ello, el IF fue aplicado en el análisis de las características del fango a la vez que se recopilaron los datos referentes a SS, DQO y DBO, tanto del agua de entrada a la depuradora como a la salida. Los análisis se realizaron según los Métodos Normalizados (APHA, AWWA, WPCF).
Los parámetros seleccionados para constituir el IF, clasificados como características macro y microscópicas, aparecen reflejados en la Tabla I junto con las distintas categorías con las que dichas características pueden ser definidas y sus respectivas puntuaciones.
Tabla I
caracterÍsticas macroscÓpicas |
||
|---|---|---|
| Turbidez | Alta | 0 |
| Media | 4.5 | |
| Baja | 9 | |
| Flóculos en suspensión | Alta | 0 |
| Media | 4.5 | |
| Baja | 9 | |
| Sedimentabilidad | Alta | 9 |
| Media | 4.5 | |
| Baja | 0 | |
| Olor | Agradable | 3 |
| Desagradable | 0 | |
caracterÍsticas mIcroscÓpicas |
||
| Forma | Regular | 4 |
| Irregular | 0 | |
| Tamaño | Grande | 4 |
| Medio | 7 | |
| Pequeño | 0 | |
| Estructura | Compacta | 18 |
| Media | 9 | |
| Abierta | 0 | |
| Textura | Fuerte | 4 |
| Débil | 0 | |
| Cobertura | <10% | 0 |
| 10-50% | 7 | |
| >50% | 3.5 | |
| Filamentos en flóculos | >20 | 0 |
| 5-20 | 7 | |
| <5 | 14 | |
| Filamentos en disolución | Alta | 0 |
| Baja | 3 | |
| Diversidad de Protozoos | <7 especies | 13 |
| 4-7 especies | 7 | |
| <4 especies | 0 | |
Como se observa en la Tabla I, las características macroscópicas presentan como valor máximo de puntuación 30 unidades sobre el valor del IF. Las características microscópicas, en cambio, presentan un máximo de puntuación de 70 puntos al considerarse que eran éstas las que definían con mayor exactitud el IF. La suma de puntuaciones para ambos grupos de características se traduce en un valor final de índice de fango del que se definen cinco categorías, cada una de las cuales alude a una calidad distinta del fango. Tal clasificación se muestra en la Tabla II.
Tabla II. Categorías de IF
ÍNDICE DE FANGOS |
|---|
| 0-20 pésimo |
20-40 malo |
40-60 regular |
60-80 bueno |
80-100 óptimo |
Del periodo de estudio en planta se obtuvieron 109 datos, y a los que se realizó un análisis estadístico de correlaciones. En tal estudio se pretendía buscar una posible relación entre el valor del IF y los parámetros que definen la calidad del efluente (SS, DQO y DBO).
El análisis de los datos demostró la imposibilidad de obtener una relación directa entre el índice de fango y los SS, DQO y DBO del agua de salida. En cambio, cuando los datos fueron agrupados según la categoría de índice, se pudo encontrar, como se muestra en las figuras 4 y 5, una relación directa entre los porcentajes de reducción de SS y DQO respecto al IF, si bien esta relación se hace más palpable para el caso de los sólidos en suspensión que para la DQO. Los porcentajes de reducción de SS, DQO y DBO que se muestran, respectivamente, en las Figuras 4, 5 y 6, se corresponden con los promedios para cada una de las categorías de fango.
Tal y como se observa en la figura 6, la relación establecida entre la DBO y el índice de fango parece no estar tan clara, al no detectarse diferencia significativa entre los porcentajes de reducción, una vez que los índices de fangos sobrepasan el intervalo de puntuación de 0-20 (calidad pésima). No se ha podido encontrar explicación a esta falta de proporcionalidad entre la calidad del fango estimada mediante el IF y el porcentaje de reducción de DBO. Sin embargo, la extrema variabilidad y escasa reproducibilidad de esta determinación (Fernández, A., 1994, APHA, AWWA, WPCF), junto con la inferioridad de datos aportados respecto a lo SS y DQO, hacen que este resultado haya de tomarse con precaución.
BIBLIOGRAFIA
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