la biopelícula en los procesos rbc

LA BIOPELÍCULA EN LOS PROCESOS RBC
WELTER, Adriana Beatríz
Farmacéutica - Universidad Católica de Córdoba (1978). Profesora de Enseñanza en Ciencias
Químicas - Universidad Católica de Córdoba (1983). Máster en Atención Farmacéutica Comunitaria Universidad de Valencia, España (2000). Profesora Titular de Química Analítica, Facultad de Ciencias
Químicas y en Ingeniería Industrial, Facultad de Ingeniería. Ex profesor titular de Análisis de los
Medicamentos, Facultad de Ciencias Químicas. Ex profesor titular de Tecnología de los Alimentos I,
en la Maestría en Tecnología de los Alimentos, Facultad de Ciencias Químicas. Miembro Evaluador
de Monografías ante el Ministerio de Salud de la Provincia de Córdoba - Agencia Córdoba Ciencia.
Año 2004. Coordinadora de pasantías Universitarias entre la Cátedra de Química Analítica de la
Facultad de Ciencias Químicas y el Centro de Investigaciones Hídricas de la Región semi-árida
(CIHRSA). Actualmente miembro investigador del Proyecto Biodisco de la Universidad Católica de
Córdoba.
ROMERO, José María
Ingeniero Civil - Universidad Católica de Córdoba. Ingeniero Sanitario - Universidad Nacional de
Buenos Aires. Profesor Titular de Ingeniería Sanitaria, Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de
Córdoba. Miembro consultor de la Agencia Córdoba Ambiente. Profesor Full Time y Director del
Proyecto Biodisco de Investigación Aplicada – UCC.
GRUMELLI, Yanina Alejandra
Bioquímica y Farmacéutica, expedido por la Universidad Católica de Córdoba. Jefe de Trabajos
Prácticos de Parasitología, Facultad de Ciencias Químicas. Bioquímica de planta, Hospital Italiano.
Maestrando en Tecnología de los Alimentos – UCC. Actualmente miembro investigador del Proyecto
Biodisco de la UCC.
SANCHEZ, José Alberto
Ingeniero Civil - Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica de Córdoba. Profesor Titular en
la Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales de la Universidad Nacional de Córdoba y en la
Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica de Córdoba. Investigación en modelos matemáticos
hidrológicos e hidráulicos en el INCYTH-CIHRSA y en la Dir. Provincial de Hidráulica de la Prov. de
Córdoba. Actualmente miembro investigador del Proyecto Biodisco de la UCC.
ASCAR, Graciela Inés
Farmacéutica, expedido por la Universidad Católica de Córdoba (1989). Máster en Atención
Farmacéutica Comunitaria, expedido por la Universidad de Valencia, España (2000). Profesora
Titular de Farmacognosia, Facultad de Ciencias Químicas. Responsable a cargo de los análisis
realizados por Cromatografía Líquida de Alta Resolución (HPLC). Jefe de Trabajos Prácticos de la
Cátedra de Química Analítica de la Carrera de Ingeniería Industrial. Miembro Evaluador de
Monografías ante el Ministerio de Salud de la Provincia de Córdoba, convocados por la Agencia
Córdoba Ciencia. Año 2004. Actualmente miembro investigador del Proyecto Biodisco de la UCC.
Universidad Católica de Córdoba, Campus Universitario, Facultad de Ingeniería.
Camino a Alta Gracia Km 10 – 5000 – Córdoba.
Tel – Fax: 0351-4938060
ingciv@uccor.edu.ar
PALABRAS CLAVES
Biopelícula. Biodiscos. Microorganismos. Líquidos residuales. Tratamiento.
1
RESUMEN
El proceso denominado RBC (Rotating Biological Contactors) o "Biodisco" aplicable a líquidos
residuales urbanos o industriales, es uno de los sistemas de tratamiento biológico aeróbico de cultivo
fijo, donde los microorganismos se adhieren a la superficie de disco rotarios de material plástico,
inerte, que actúan como soporte, formando una BIOPELÍCULA, componente fundamental en dicho
proceso.
El objetivo del presente trabajo es reunir, evaluar y discutir antecedentes bibliográficos y formular
conclusiones a cerca de la BIOPELÍCULA.
Su desarrollo contempla, la formación de la película biológica y su rol en el proceso, algunos modelos
conceptuales acerca de la estructura, la composición microbiológica, la interacción entre los
microorganismos y las propiedades físico-químicas de la misma y de los biosólidos sedimentables.
Los modelos conceptuales acerca de la estructura de la biopelícula procuran explicar los mecanismos
de circulación de líquidos en su interior, aspecto muy importante al momento de considerar las
reacciones bioquímicas de transformación de la materia orgánica por acción de los microorganismos
que forman la biopelícula
Se estudia y analiza la tipificación microbiológica debido a que esta se modifica paulatinamente a
medida que el líquido residual fluye a través del reactor. Se toman en consideración, además, otros
factores como carga orgánica, carga hidráulica, disponibilidad de oxígeno, temperatura y pH debido,
a la influencia que ejercen sobre la biopelícula, aspecto que resulta de gran importancia por su
probable asociación a la composición química del afluente a tratar.
Las propiedades físico-químicas tales como color, espesor, erosionabilidad, densidad y formación del
glicocálix, se consideran por su importancia para la caracterización y predicción de la eficiencia de la
biopelícula en la remoción de materia orgánica, relacionada con las características del líquido a tratar.
2
INTRODUCCIÓN
El sistema de cultivo fijo “Biodisco”, se diferencia de los procesos de cultivo suspendido como el de
"Lodos Activados", ya que en los últimos los microorganismos se mantienen dispersos en el seno del
líquido residual.
El proceso se caracteriza por su alta eficiencia en la remoción de materia orgánica, como es el caso
de líquidos cloacales y residuales orgánicos de origen industrial.
En los Biodiscos se distinguen 3 (tres) componentes fundamentales (Figura Nº 1):
Figura Nº 1 – Esquema de Biodisco- Ignacio Codó (Tesis - UCC)
Cámara de fase líquida: cuba semicilíndrica en posición horizontal y sedimentador secundario. (1)
Soporte: conjunto de discos de material plástico, unidos a un eje horizontal que produce el
movimiento giratorio, permitiendo el contacto de los microorganismos adheridos a los mismos
(biopelícula), alternativamente con el aire y el líquido residual que contiene materia orgánica,
nutrientes y oxígeno disuelto. (2)
Microorganismos: población microbiana, en forma de biopelícula, encargada de transformar o
estabilizar la materia orgánica.
El dispositivo consiste en una serie de discos rígidos y livianos de material plástico, muy próximos
entre sí como soporte, presentando las ventaja de favorecer la producción de abundante biomasa
por la gran superficie de contacto que se logra y minimizar el peso propio del soporte sobre el eje del
(5)
sistema rotativo. Según Cisneros Graña , para diámetros típicos (3 - 3,5 metros) la velocidad de giro
debe oscilar entre 1-4 rpm, a 5 rpm se alcanza el máximo crítico, y comienza el desprendimiento de la
biomasa activa (biosólido).
La biomasa o cultivo, en un sistema de Biodiscos, se presenta principalmente bajo la forma de
película biológica, y es uno de los elementos fundamentales en orden al funcionamiento y resultados
del proceso. Pequeñas cantidades de biomasa pueden permanecer en suspensión en el líquido
contenido en el reactor.
VENTAJAS DEL SISTEMA RBC
El sistema Biodisco presenta variadas y considerables ventajas sobre otros similares, entre las cuales
se destacan:
3
Alta eficiencia en la remoción de DBO5 (demanda bioquímica de oxígeno en los primeros 5 días)
Sencillez operativa y constructiva.
Bajo consumo de energía significativamente.
Regulación de la tasa de aireación mediante variación de la velocidad de giro.
Bajo requerimiento de espacio físico.
Mínimo nivel de ruido.
Fácil transportabilidad de los equipos.
Minimización de las instalaciones de sedimentación secundaria por retención prolongada de los
microorganismos en el soporte.
CONCEPTO DE BIOPELICULA
Se detallan a continuación algunas caracterizaciones de biopelícula, que fueron seleccionadas por su
consistencia para dar una idea clara del concepto y su aplicabilidad para el proceso:
(7)
(1983) describen la biopelícula como un ensamblado de
Eighmy, T.T; Maratea D. y Bishop P. L.
bacterias que está adosada por un pegamento a una superficie húmeda por medio de una matriz
extracelular de polisacáridos fibrosos. Esta matriz, llamada cápsula o glicocálix, es sintetizada por las
bacterias y su función principal es sujetar las células adsorbidas al soporte.
(12)
(1993) describe el biofilm como un entramado complejo de microorganismos
Waleed Zahid
dotados de sustancias poliméricas extracelulares. La distribución espacial de estos componentes
principales dentro de la matriz del biofilm, así como sus propiedades (físicas, químicas y biológicas)
influencian la actividad en el mismo y su relación con el ambiente acuoso inmediato. Además el
biofilm es muy dinámico; su composición y características cambian en el tiempo.
(6)
Según Costerton
(1999), los biofilms son comunidades bacterianas englobadas en una matriz de
exopolisacáridos producida por las bacterias y adheridas a una superficie viva o inerte. En la
naturaleza constituyen un modo de crecimiento protegido que permite la supervivencia de las
bacterias en un medio hostil. Las estructuras que forman estas microcolonias contienen canales por
los que circulan los nutrientes.
(8)
(2001) describe la biopelícula o biofilm,
Lewandowski et al, (1994), citado por Gálvez Rodríguez
como una estructura compleja formada por agregados celulares (grupos de células densamente
empaquetados) y huecos intersticiales, adherida a un material que puede ser de origen natural o
sintético. Su estructura es morfológica y fisiológicamente distinta a la de bacterias libres, utilizándose
incluso mediadores químicos intercelulares para desarrollar la película (Davies et al, 1998; de Beer et
al, 1996).
FORMACIÓN DE LA BIOPELICULA
(3)
para la formación de biopelícula. La
Existen varias teorías citadas por Barros de Macedo, J. A.
primera fue descripta por Marshal , Stout, et al. (1971), y resalta que la adhesión es un proceso que
ocurre en dos fases:
La primer fase es reversible, en función del proceso de adhesión de los microorganismos a la
superficie que ocurre por fuerzas Van der Waals y atracciones electrostáticas.
La segunda fase, ocurre con la interacción física de las células a la superficie por medio de material
extracelular de naturaleza polisarídica o proteica producida por las bacterias, esta se denomina matriz
de glicocálix, y soporta la formación de la biopelicula. El glicocalix, (Figura Nº 2) es producido
después del proceso de adhesión superficial, y va a favorecer las condiciones de adhesión de los
peptidoglicanos de las bacteria Gram positiva.
4
Glicocalix
Citoplasma
Núcleo
Membrana Plasmática
Figura Nº 2
Glicocalix - Alberts, Bruce(1)
Otra teoría citada por el mismo autor, descripta por Duddridge – Pritchard, (1983) sugiere para la
formación de biopelículas, 5 (cinco) etapas que esquemáticamente pueden ser colocadas en el
siguiente orden:
•
•
•
•
•
Acondicionamiento de la superficie por adsorción de materia orgánica.
Transporte de células y nutrientes al sitio de adherencia.
Inicio del proceso de adhesión bacteriana, todavía reversible, por atracción electrostática.
Crecimiento celular, colonización y adhesión irreversible.
La biopelícula presenta alta actividad metabólica y liberación de células localizadas en la
periferia.
(3)
cita además la teoría propuesta por Notermans, Dormans, et al (1991),
Barros de Macedo, J. A.
que describe la formación de la biopelicula en 3 (tres) etapas, esquematizada en la (Figura Nº 3)
Fijación de las bacterias.
Consolidación de las bacterias a la superficie.
Colonización y crecimiento de las bacterias. En la etapa de consolidación, ocurre la producción de
material extracelular que facilita la fijación de los microorganismos.
FORMACIÓN DE LA BIOPELÍCULA
Adsorción
Reversible
Adsorción
Irreversible
Crecimiento
Material de soporte
Figura Nº 3 – Formación de la Biopelicula - Barros de Macedo (5)
5
Otros factores que incide en la adhesión de un microorganismo a determinada superficie, es la
naturaleza del soporte, principalmente:
Balance entre cargas eléctricas resultantes en la superficie.
Rugosidad superficial.
MODELOS CONCEPTUALES DE LA ESTRUCTURA DE LA BIOPELÍCULA
(8)
en su tesis doctoral cita modelos conceptuales descriptos por distintos
Gálvez Rodriguez, J. M.
investigadores a cerca del desarrollo y la estructura de la biopelicula.
Modelo del canal de agua
En este modelo, después del periodo de colonización en la superficie del soporte, las células sufren
cambios fenotípicos y producen, entre otras moléculas estructurales, exopolisacáridos (EPS).
En determinados casos, algunas poblaciones bacterianas adheridas, constituyen estructuras en forma
de cono formando una biomasa filamentosa que soporta multitud de microcolonias (Okabe et al,
1998).
Esta fusión microorganismo-EPS deja una red de canales de agua que llega hasta la base de la
biopelícula (Figura Nº 4).
La importancia de estos canales se ha llegado a comparar al sistema circulatorio de un organismo
superior, por su estructura, grado de homeostasis, relación espacial óptima con los organismos que
conviven y el intercambio de nutrientes y metabolitos entre la comunidad y la fase fluida (Wimpenny y
Colasanti, 1997).
Figura Nº 4 – Modelo del Canal de Agua - Galvez Rodriguez, J. M. (8)
Modelo del mosaico heterogéneo
Este modelo es típico de los sistemas de distribución de agua. Es un caso extremo del modelo del
canal de agua. Consiste en microcolonias formando tallos unidos al soporte por la base pero
generalmente bien separados de sus vecinos. Usualmente también puede haber una base muy fina
de células individuales unidas a la superficie formando un film de 5µm de espesor.
La diferencia con el modelo de canales es que en este caso debido a la separación entre las torres
microbianas no se llegan a formar los canales. (Figura Nº 5)
6
Figura Nº 5 – Modelo del Mosaico Heterogéneo - Galvez Rodriguez, J. M. (8)
Modelo de película densa
Su estructura no tiene canales de agua y presenta escasa. Hay, sin embargo, alguna organización
estructural. Incluye numerosas colonias del mismo tipo de bacteria. Además hay ejemplos de
asociaciones específicas. (Figura Nº 6)
Figura Nº 6 – Modelo de Película Densa - Galvez Rodriguez, J. M.
(8)
Según el mencionado autor, en estos modelos parece que hay alguna relación entre la estructura y la
concentración de sustrato presente.
En el caso del mosaico heterogéneo la concentración de nutrientes es mínima (<1mg/l), mientras que
para el modelo de película densa la concentración puede llegar a 15-20g/l .
Esta relación (tipo de estructura/concentración de sustrato) ha sido estudiada basándose en la
formación de colonias por Bacillus licheniformis creciendo sobre distintas concentraciones de
nutrientes. En medios ricos se observaron colonias redondeadas y mucosas (coincide con la
estructura de la película densa). Por otro lado, los crecimientos en medios limitantes desarrollaban
colonias arracimadas formando ramificaciones, ajustándose esta disposición canalizada a los
modelos de biopelícula mosaico heterogéneo y canal de agua.
(8)
Gálvez Rodriguez, J. M. (2001) afirma que estos modelos no son simples hipótesis. En 1994 (Beer
et al, Gjaltema et al, Masson-Deya et al y Stoodley et al)demostraron mediante ensayo de imágenes
con Resonancia Magnética Nuclear la existencia de canales de agua. Corroborándose por Stoodley
et al. En 1997, con el uso de un microelectrodo que permite determinar el coeficiente de transferencia
de masa (K). Midiendo este parámetro en distintas localizaciones dentro de la biopelícula se ha
encontrado distintos valores de K, concluyéndose que eran debidos a la heterogeneidad estructural
de la película biológica.
7
Otros factores que pueden afectar la heterogeneidad estructural de las biopelículas según Grady et al
1999; Loosdrecht et al,1995 y Lazarova et al 1992, pueden ser:
•
•
•
•
•
Textura del material soporte
Características hidrodinámicas del sistema
Tipo de microorganismos que lo componen
Naturaleza de la fase líquida
Geometría del biorreactor
ROL DE LA BIOPELÍCULA EN EL PROCESO DEL TRATAMIENTO
El tratamiento biológico de líquidos residuales consiste principalmente en la estabilización
(a veces mal llamada eliminación) de la materia orgánica por acción de los microorganismos que se
alimentan de la misma, transformándola en productos más oxidados y por lo tanto más estables.
Los microorganismos de la biopelícula adheridos al soporte, toman principalmente el oxígeno de la
atmósfera, para la respiración y se alimentan de materia orgánica contenida en el líquido residual, la
cual difunde a través de la biopelícula por diversos mecanismos.
COMPOSICIÓN MICROBIOLÓGICA DE LA BIOPELÍCULA
La composición de población microbiana varía a medida que el efluente fluye a través del reactor.
Las diferentes especies que crecen a lo largo del mismo contribuyen a la formación de un sistema
mixto.
La variedad y proporción de las diferentes especies de microorganismos dependen de varios factores,
como por ejemplo: características del líquido residual a tratar, carga hidráulica, carga orgánica y
disponibilidad de oxígeno.
Debemos considerar también otros parámetros ambientales que si bien, para algunos autores son
adicionales, contribuyen al éxito o fracaso del proceso, tales como: temperatura y pH.
En etapas iniciales del proceso se desarrollan poblaciones de bacterias del tipo filamentosas y no
filamentosas, en etapas subsiguientes crecen poblaciones de mayor evolución, incluyendo, bacterias
nitrificantes junto a protozoos, rotíferos y otros predadores que se vuelven dominantes (Figura Nº 7)
Crecimiento rápido
Crecimiento lento
Canal de
Agua
Microcolonias
Protozoos
Amebas
Material de Soporte
Figura Nº 7 – Microbiología de la Biopelícula - Buswell, C., Herlihy, Y.M.(4)
8
Cuando el afluente tiene una alta carga orgánica, la proporción entre las bacterias gram positivas y
gram negativas es muy similar, sin embargo cuando la carga orgánica decrece las bacterias
dominantes son menos diversas y predominan las gram negativas. Esto es atribuible a que las
bacterias gram positiva no puede competir con gram negativas cuando el sustrato orgánico es
limitado.
(9)
En resumen, según Kinner, N., Balkwill, D. and Bishop, P. (1982), la sucesión de microorganismos
evoluciona de zooflagelados y amebas pequeñas a ciliados bacteriófagos capaces de nadar
libremente y luego a ciliados carnívoros, rotíferos y amebas de mayor tamaño.
La tasa a la cual este patrón de sucesión se lleva a cabo es función de la tasa de carga orgánica o
concentración por unidad de superficie de discos en el sistema de RBC.
INTERACCIONES ENTRE LOS MICROORGANISMOS EN LA BIOPELÍCULA
En el tratamiento de un afluente, el objetivo fundamental es transformar la materia orgánica presente
como tal, esto se logra facilitando el desarrollo, en condiciones naturales, de poblaciones microbianas
heterogéneas que interactúan entre ellas y al alimentarse estabilizan la materia orgánica.
Las poblaciones microbianas son usualmente una mezcla muy compleja de diferentes géneros y
especies de bacterias, hongos y protozoarios. La concentración de los componentes biológicos de
estas poblaciones está lejos de ser constante, ya que hay fluctuaciones en las distintas etapas del
proceso biodisco.
Las principales interacciones que ocurren entre las diversas especies microbianas son:
Competición, que hace referencia al uso de un determinado nutriente.
Predación, ocurre cuando un organismo se alimenta de otro.
Parasitismo, cuando uno se aprovecha o vive a expensas de otro que generalmente muere.
Comensalismo, cuando dos organismos viven simultáneamente sin beneficiarse ni perjudicarse.
Mutualismo, cuando dos organismos se benefician mutuamente.
REACCIONES BIOLÓGICAS ESQUEMÁTICAS
Las reacciones biológicas más importantes que ocurren en la biopelícula son aerobias y anaerobias,
siendo las fotosintéticas características del proceso de lagunas naturales de estabilización. Se
representan a continuación en forma esquemática.
Aerobias:
Materia Orgánica
microorganismos aerobios
Anaerobias:
Materia Orgánica
Fotosíntesis:
CO2 + H2O + Energía
microorganismos
bios
microorganismos fotosintéticos
CO2 + H2O
CO2 + CH4 + H2O
Materia Orgánica + O2
Las actividades de síntesis y respiración que se producen se representan a continuación:
Oxidación y síntesis:
Materia Orgánica + O2 + Nutrientes V CO2 + NH3 + Nuevas Células Bacterianas + otros productos
Respiración Endógena:
Nuevas Células Bacterianas + O2 V CO2 + H2O + NH3 + Energía
Estas reacciones ocurren simultáneamente.
9
Los elementos como carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre y fósforo, que junto con el oxígeno son
componentes de la materia orgánica presente en el líquido residual a tratar, se encuentran
inicialmente como carbohidratos, proteínas y grasas, sustancias estas que sirven de alimento a las
bacterias para la producción de energía y la biosíntesis de nuevos microorganismos.
La energía debe suministrarse contenida en compuestos orgánicos o como energía radiante de la luz
solar en el caso de fotosíntesis. Una fracción de la misma es utilizada para la biosíntesis de biomasa
y la restante es dispersada como calor.
Los microorganismos generan también productos de desecho que dependen de las especies
consideradas y las condiciones ambientales. Los productos más deseables son gases como CO2 , N2,
O2 y CH4, que pueden ser fácilmente separados de la fase líquido, otros, indeseables, pero que se
biosintetizan en el proceso son el H2S, NH3 y aminas.
Un requerimiento importante para la mayor parte de los procesos biológicos usados en el tratamiento
de efluentes es la producción de microorganismos con propiedades floculantes, que pueden ser
fácilmente separados por medios físicos como sedimentación por gravedad, centrifugación o
filtración.
Dado que el tiempo de residencia de los organismos en los procesos biológicos puede resultar
considerablemente largo es necesario tener en cuenta también una reacción de autooxidación o
respiración endógena asociada a la fase de decaimiento y muerte de los microorganismos. Esto no
ocurre normalmente en los biodiscos donde los tiempos de retención son muy cortos en relación a
otros procesos.
Todas las reacciones son exotérmicas, permitiendo calcular el calor liberado por las reacciones netas
o por la muerte de los organismo en base a los calores de combustión de los reactantes y productos.
El cálculo del calor liberado es importante en los procesos de compostificación y digestión aerobia
termofílica, en los cuales la concentración de materia destruida es suficientemente alta para que el
calor liberado aumente la temperatura.
La aplicación de ecuaciones estequiométricas en tratamiento de efluentes se complica porque el
sustrato es generalmente una mezcla compleja y variada de compuestos orgánicos solubles e
insolubles y la concentración microbiana es difícil de medir. Por tal razón se mide la concentración de
materia orgánica en términos de DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno), DQO (Demanda Química
de Oxígeno), COT (Carbono Orgánico Total) y otros parámetros indirectos.
CINÉTICA DEL CRECIMIENTO BACTERIANO
Las etapas que atraviesan las poblaciones de microorganismos en la formación de la biopelícula, se
explican mediante la curva de crecimiento bacteriana de la Figura Nº 8
Figura 8 : Curva de crecimiento bacteriano
(Fuente: Metcalf & Eddy, Ingeniería de Aguas residuales, 1996).
10
En la curva se pueden apreciar básicamente 4 (cuatro) etapas:
Etapa de retardo o latencia: representa el tiempo necesario para que las bacterias se aclimaten a
las condiciones ambientales y comiencen a reproducirse.
Etapa de crecimiento exponencial: las células se encuentran en plena reproducción, a máxima
velocidad en las condiciones dadas, debido al exceso de nutrientes. Para las bacterias el tamaño de
la población crece en progresión geométrica, resultando una cinética de crecimiento del tipo
exponencial. Para los microorganismos filamentosos como hongos y bacterias filamentosas el
mecanismo de replicación no supone un comportamiento exponencial, sino más bien cercano a una
cinética de crecimiento lineal.
Etapa estacionaria: representa el estado donde el crecimiento bacteriano se detiene, o bien, se
establece un estado de equilibrio entre la reproducción de bacterias y la muerte de las mismas, una
de las causas que conducen a este fenómeno es la limitación en materia de nutrientes.
Etapa de decaimiento o muerte: la tasa de mortalidad de bacterias excede la generación de células
nuevas.
Las poblaciones bacterianas que se emplean en el tratamiento biológico de líquidos residuales deben
residir un tiempo mínimo en el sistema para asegurar el crecimiento y reproducción de los
microorganismos. Este período depende de la tasa de crecimiento de los microorganismos que está
relacionada con la velocidad a la que metabolizan o utilizan el alimento o sustrato. La distribución de
las edades de las células es tal que no todas atraviesan la fase de crecimiento exponencial al mismo
tiempo, por otro lado algunas células van muriendo y otras se van depredando entre sí.
PROPIEDADES DE LA BIOPELICULA
(12)
(1993), en su tesis doctoral describe las propiedades más relevantes de la
Waleed, Zahid
biopelícula.
Entre las Propiedades Físicas, se destacan:
•
•
•
•
Color y consistencia
Densidad
Erosión
Espesor
El Color de la biopelícula en las etapas iniciales de un aparato de Biodiscos, utilizado en el
tratamiento de efluentes domésticos, es generalmente gris o gris amarronado y filamentoso, mientras
que en etapas posteriores es amarronado o rojizo amarronado, gelatinoso y menos filamentoso
(Friedman et al., 1979; Alleman et al., 1982; Kinner et al., 1983; Lin et al., 1986).
La biomasa de color gris es indicativo de biomasa que preferentemente remueve materia orgánica
carbonosa mientras que la amarronada rojiza es característica de la predominancia de
microorganismos nitrificantes.
La Densidad de la biopelícula seca es una variable que se utiliza para correlacionarla con la
difusividad relativa, fenómeno importante para la vida útil de la misma. La bibliografía cita densidades
3
3
desde 8.14 mg/cm (Wagner and Hempei, 1988) a 200 mg/cm , (Livingston and Chase, 1989).
La concentración de oxígeno disuelto (OD) en el afluente tiene una influencia directa en la densidad
de la biopelícula al igual que la fracciones de exopolímeros, de materia orgánica, de protozoos, de
gusanos e insectos.
La Erosión se define como el proceso de remoción de partículas de biopelícula, , en el biodisco que
es altamente dependiente de las condiciones dinámicas del sistema dando origen al biosólido
11
sedimentado, se refiere a la remoción masiva de porciones de biopelícula que caen por gravedad
debido a la fuerza de corte.
El Espesor es un parámetro medible. El tamaño de los flóculos o el espesor de la película en estos
procesos se mide en milímetros, mientras que los microorganismos individuales se miden en
(10)
micrones. Según Kinner, N.; Maratea, D.; Bishop, P. 1984 , cuando se pone en funcionamiento un
sistema de RBC, los microorganismos que naturalmente se encuentran en el afluente comienzan a
adherirse a la superficie de los discos y en un plazo de una a cuatro semana forman una biopelicula
con un espesor de 1 a 4 mm.
Alleman et al (1982) afirma que en las etapas iniciales del proceso, cuando la concentración de
materia orgánica es alta, la biopelícula generalmente es de mayor espesor que la que se observa en
etapas posteriores en donde el afluente contiene menor cantidad de materia orgánica.
Cuando el espesor de la biopelícula se incrementa, el oxígeno disuelto no es capaz de difundirse
hasta el fondo del mismo, por lo tanto los microorganismos de la capa inferior, unidas al soporte,
podrían cambiar alternativamente adaptándose a las nuevas condiciones ambientales (anaerobiosis).
(Figura Nº 8)
Figura Nº 8 - Difusión de Oxígeno y Nutrientes - BioSurface Technologies Corporation
El espesor de la biopelícula es inversamente proporcional a la velocidad de flujo del líquido,
disminuyendo exponencialmente con los aumentos de la velocidad de rotación de los discos.
El crecimiento de la biopelícula continua hasta que llega un momento en que no reciben más oxígeno
las capas profundas, entonces se produce el desprendimiento de la capa bacteriana. Dicho
desprendimiento, se ve influenciado por diferentes factores, entre otros, la velocidad de giro de los
discos y el diámetro de los mismos. Después de dicho acontecimiento comenzará la formación de
una nueva película, y así indefinidamente.
Entre las Propiedades Químicas se destacan:
La biopelícula es generalmente viscosa e hidrofílica (Christenesen y Characklis 1991) debido a la
presencia de componentes poliméricos extracelulares que están constituidos por polisacáridos con
residuos hidrofílicos y otros polímeros intracelulares.
Como se dijo anteriormente, la adsorción bacteriana al soporte ocurre en dos etapas:
Inicialmente la célula bacteriana se mantiene unida a la superficie gracias a enlaces débiles
intermoleculares, que resultan de las fuerzas entre la célula y el soporte, incluyendo: fuerzas de
London – Van der Waals, interacciones electrostáticas, interacciones estéricas y puentes poliméricos.
12
Formación del glicocálix.
(9)
atribuye a otros parámetros significativa importancia tales como,
Cisneros Graña, M. A.
Precipitaciones y ventilación.
SEDIMENTACIÓN DE LA BIOPELICULA: BIOSÓLIDOS
Según Cortéz Cádiz, cuando el agua residual es tratada, se generan como subproductos del
tratamiento biológico, semisólidos ricos en nutrientes llamados biosólidos o lodos. Se utiliza el término
biosólido para enfatizar su eminente naturaleza biológica y fomentar por ello su reutilización.
Los biosólidos están formados principalmente por materia celular de microorganismos excedentes del
proceso y por lo tanto, se trata de materia orgánica degradable (entre un 68% y 88 %) no
estabilizada, capaz de causar un impacto negativo al medio ambiente en el caso de no ser tratada
adecuadamente.
La generación de sólidos finales en un proceso aeróbico puede llegar a ser el doble que en un
proceso anaeróbico.
PROPIEDADES DE LOS BIOSÓLIDOS
Para definir los procesos a emplear en el tratamiento de biosólidos es importante conocer las
características físico-químicas que presentan. Éstas pueden variar en función de su origen, edad y
tipo de proceso donde se han generado.
Los biosólidos se caracterizan por su alto contenido de agua, la que les otorga un volumen
importante y favorece sus pobres características mecánicas, pero dificulta su manejo y disposición
final.
En la Figura 9 se muestra una representación esquemática de la
biosólido proveniente de una planta depuradora de aguas residuales
distribución del agua en un
Agua Intersticial
Agua libre
Agua Capilar
Agua Colidal
Figura Nº 9 – Contenido de agua en biosólidos
Revista Residuos, julio 1995
13
Las características químicas de los biosólidos están relacionadas a sus cinco constituyentes
principales:
•
•
•
•
•
Contenido Orgánico
Nutrientes
Concentración de Patógenos
Concentración de metales
Químicos orgánicos tóxicos
El Contenido Orgánico presente en los biosólidos se expresa generalmente, como el porcentaje que
representan los sólidos volátiles, removidos tras someter al biosólido a una temperatura de 550ºC,
bajo condiciones de oxidación.
El Contenido de Nutrientes de los Biosólidos provenientes de aguas servidas domésticas
contienen tres elementos esenciales para el crecimiento de las plantas: nitrógeno, fósforo y potasio
(NPK). Los mismos, en los biosólidos pueden estar en diversas formas químicas. Por ejemplo, el
nitrógeno puede estar presente como nitratos, amonio o nitrógeno orgánico y el fósforo, por su parte,
como ion fosfato y orto fosfato.
Sin embargo, los niveles de NPK presentes en los biosólidos estabilizados son inferiores a los
contenidos en fertilizantes químicos como se indica en la siguiente tabla:
NIVEL PORCENTUAL DE NUTRIENTES % COMPUESTO
Fertilizante
Biosólido estabilizado
Nitrógeno
5,0
3,3
Fósforo
10,0
2,3
Potasio
10,0
0,3
(Fuente : Metcalf & Eddy, “Ingeniería de Aguas Residuales”,1996.)
Además, las plantas aprovechan los nutrientes que se encuentran en el suelo en forma mineralizada,
con lo cual el valor fertilizante atribuible a los biosólidos estabilizados es aún menor.
La Concentración de Patógenos en los biosólidos son principalmente biomasa heterogénea,
constituida por bacterias, virus, protozoos y huevos de helmintos, los que se concentran durante el
proceso de depuración de las aguas servidas.
El tratamiento puede reducir pero no eliminar completamente tales portadores. Entre las bacterias
patógenas que pueden estar presentes en los biosólidos se encuentran, por ejemplo, las Salmonellas
Typhi (que produce fiebre tifoidea), Eschericha coli (que produce
gastroenteritis), Shigellas (que produce disenteria), las Vibrio Cholerae (que producen diarreas
extremadamente fuertes o cólera), etc. Entre los protozoos se encuentran el Crytosporidium y otros.
Entre los virus encontrados en los biosólidos frescos están los causantes por ejemplo de la hepatitis A
y la Poliomelitis.
Los patógenos son difíciles de cuantificar, debiendo manejar indicadores que permitan estimar su
reducción, como por ejemplo, los coniformes totales y fecales.
Los Metales en biosólidos pueden contener cierta concentración de metales pesados, tales como:
arsénico, plomo, cadmio, cromo, hierro, mercurio, molibdeno entre otros, e iones orgánicos que los
contienen y son función del tipo y cantidad del residuo industrial descargado en el sistema de
tratamiento de aguas servidas.
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Algunos de estos elementos son micronutrientes esenciales requeridos por plantas y animales lo
cuales a bajas concentraciones pueden constituir un aporte nutritivo al suelo; sin embargo, a altas
concentraciones pueden ser tóxicos.
Los Compuestos Orgánicos Tóxicos en el biosólido generado por el biodisco, puede contener
compuestos orgánicos aportados por efluentes industriales, productos químicos utilizados en el
hogar, plaguicidas y otros.
Los principales procesos que se aplican al tratamiento de los biosólidos son: deshidratación,
espesamiento, secado, estabilización por vía aeróbica, anaeróbica (biológica) o química y
desinfección para eliminación de patógenos.
Resulta inexcusable efectuar un tratamiento separado y específico de los biosólidos antes de su
disposición, por tratarse de materia predominantemente orgánica y susceptible de fermentar,
pudiendo llegar a producir contaminación del suelo y del agua.
En consecuencia, los biosólidos o lodos debidamente estabilizados, constituyen nutrientes posibles
de utilizar sin costos de producción. Además, si se adopta un proceso anaeróbico para la
estabilización, se puede obtener adicionalmente gas metano, utilizable como combustible.
DISCUSIONES Y CONCLUSIONES
Carga orgánica: de acuerdo a la información experimental recavada, un líquido residual de alto
contenido orgánico, da lugar a la formación de una biopelícula que se ajusta al modelo de película
densa. A medida que el flujo avanza en su recorrido por el reactor de biodiscos, va perdiendo
concentración de materia orgánica, originando películas menos densas progresivamente en los
correspondientes discos.
Primera conclusión: es conveniente limitar la concentración de sustrato para evitar la formación de
película densa, o al menos, evitar altas concentraciones iniciales y muy bajas concentraciones finales
de sustrato. Esto se puede lograr modulando en etapas el reactor biodisco y dividiendo en paralelo
los caudales, por ejemplo, en las dos primeras etapas y continuando en serie con la tercera y cuarta
etapa.
En los sectores de película densa, se verifica que la misma no tiene alta eficiencia en la remoción de
DBO5, debido a su escasa porosidad y correlativamente bajo gradiente de difusión de sustrato o
alimento hacia el interior de la misma.
Espesor: El espesor de la biopelícula se considera un parámetro de gran importancia por cuanto,
puede pensarse que a mayor espesor de la biopelícula, mayor sería la cantidad de microorganismos
operando en la remoción de materia orgánica. Sin embargo, a mayor espesor, menor difusibilidad del
sustrato, pudiendo resultar que por unidad de volumen se tenga una menor eficiencia que con una
película más fina. Debiera, al menos desde un punto de vista conceptual, haber un espesor óptimo y
uniforme en toda la superficie del disco.
Segunda conclusión: resulta de gran interés, estudiar e investigar experimentalmente sobre el
concepto de espesor óptimo, a igualdad del resto de los parámetros que influyen en la eficiencia de la
biopelícula. Es evidente que espesores muy grandes desfavorecen por su masa el funcionamiento del
equipo generando cargas sobre los ejes con poca efectividad. Además, un peso excesivo puede
contribuir a un desprendimiento temprano de la totalidad de la biopelícula.
Al estudio mencionado podría asociarse el de la velocidad de giro de los discos como mecanismo
para controlar el espesor de la biopelícula.
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Composición microbiológica: Respecto a la composición microbiológica del cultivo, se supone que
su variedad está asociada entre otros factores a la naturaleza química del líquido residual a tratar,
esto implicaría que con ciertas correcciones químicas practicables sin dificultades técnicas ni
económicas se promovería el desarrollo de las especies más adecuadas.
Tercera conclusión: resulta de gran interés, ante un líquido residual determinado, realizar cultivos in
vitro y suministrarle a los microorganismos distintos nutrientes para verificar cuales favorecen un
mejor desarrollo, para optimizar la remoción de DBO5. Así podrían proyectarse mejor las dimensiones
del biodisco conociendo la naturaleza química del líquido a tratar.
pH: El rango de pH en el cual el desarrollo microbiano es óptimo, se encuentra entre 6,5 – 8,5.
Cuando el líquido residual a tratar presenta un pH fuera del rango mencionado, cabe esperar que se
produzcan alteraciones en el metabolismo y crecimiento de los cultivos microbianos.
Cuarta conclusión: cada afluente debe ser estudiado como un sistema material aislado,
registrándose el pH permanentemente en planta, y realizando operaciones correctivas tales como el
agregado de álcalis o ácidos, ante desviaciones considerables para proteger el crecimiento de los
microorganismos.
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