Sistemas integrales de tratamiento de aguas residuales - UAM-I

Sistemas integrales de tratamiento de aguas residuales,
mediante el uso combinado de digestión anaerobia y microalgas
Margarita Salazar González,*
Departamento de Biotecnologı́a, UAM–Iztapalapa.
msnm, mientras que sólo el 5 % está arriba de la cota de los 2000 msnm, por lo que se dificulta el suministro hasta la ciudad. El crecimiento de la actividad industrial, ası́ como la elevada demanda por
parte de la población, ha generado serias alteraciones ecológicas, ya que la descarga de aguas residuales
de diferentes orı́genes (industrial, doméstico, agrı́cola, ganadero, etc.,) a los cuerpos de aguas naturales, se lleva a cabo sin ningún tipo de tratamiento, lo cual ha traı́do como consecuencia la contaminación de prácticamente todas las cuencas hidrológicas que sirven de abastecimientos a los centros
urbanos.
Recibido: 08 de mayo de 2009
Aceptado: 24 de julio, 2009
Resumen
Las descargas de efluentes domésticos e industriales en los embalses, rı́os, mantos acuı́feros, zonas de
cultivo, etc., generan graves problemas de contaminación del agua, las cuales pueden llegar a ocasionar alteraciones en los ecosistemas, a los sistemas
agrı́colas, acuı́colas, ası́ como serias afecciones a la
salud. Por lo que es necesario el desarrollo de procesos biológicos alternativos de bajo costo para el tratamiento de estos efluentes. El empleo de sistemas integrales de bacterias-microalgas, representa una de
las aplicaciones biotecnológicas de mayor importancia en el área ambiental.
El 17 % de las aguas residuales producidas en México son tratadas, de las cuales solamente el 9.25 %
alcanzó las eficiencias esperadas, utilizándose para
ello procesos sofisticados con equipo de alto costo, lo
cual representa una gran limitante en su aplicación
por el aspecto económico y por las bajas eficiencias
logradas.
Abstract
The domestics and industrials efluentes discharges
to embalses, rivers, acuifers mants, and culture zones, generate serious water contamination problems,
which have be made ecosystems alterations, to agriculture and acuiculture systems, that human health
affections. That is necessary the development of biological alternative process of slow cost for wastewater treatment. The utilization of integrated systems
of bacteries-microalgaes, represents one of the most
important biotechnological applications in ambiental area.
Se ha reportado la existencia de 256 plantas de tratamiento con diferentes procesos y capacidad instalada, de las cuales el 65 % (166), no está en operación, 7 % (18) opera a eficiencias menores al 40 %,
23 % (59), trabaja con 40-80 % de eficiencia, y únicamente el 5 % (13) logra eficiencias mayores al 80 %.
Las razones de esta situación son diversas y se manifiestan como la falta de operación y el gran abandono en que se encuentran las instalaciones, ası́ como también el aspecto económico (recursos técnicos,
tecnológicos, humanos, etc.), ya que generalmente no
se consideran los recursos para operación y mantenimiento al momento de seleccionar el tipo de proceso a desarrollar (Noyola, 1990 y Garcı́a, 1990 ).
Key words: treatment, wastewater, microalgae,
high rate oxidation ponds.
Introducción
En la actualidad una de las problemáticas más graves que afronta la ciudad de México es el problema de la contaminación ambiental en diferentes aspectos: aire, tierra, agua, etc., siendo este último
recurso el de mayor importancia y el que requiere especial atención, ya que en la República Mexicana el 80 % del agua se encuentra a menos de 500
* Tel:
Lo anteriormente dicho, pone de manifiesto la problemática que existen en cuanto a la falta de infraestructura para la prevención y control de la contaminación del agua, tanto por el limitado numero de plantas de tratamiento que se encuentran en
+52 5558046406 masg@xanum.uam.mx
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Sistemas integrales de tratamiento de aguas residuales. . . Margarita Salazar G.
operación, ası́ como por las bajas eficiencias logradas, ya que los procesos convencionales de tratamiento no han representado hasta el momento una respuesta adecuada a las necesidades de saneamiento de
los cuerpos de agua del paı́s, que permitan la reutilización y disponibilidad de este recurso en las condiciones más adecuadas (Ramos, et al., 1990; Ramos y Salazar, 1989).
Procesos de tratamiento de aguas residuales
Generalmente los procesos de tratamiento utilizan
una fase primaria para realizar la separación fı́sica de sólidos mediante tanques de sedimentación, seguida de una etapa secundaria, donde se lleva a cabo la degradación bacteriana de la materia orgánica (digestores anaerobios, lodos activados, etcétera).
Para realizar el tratamiento secundario de aguas residuales existen en general dos grandes procesos:
los fisicoquı́micos: los cuales se utilizan en aguas
con contaminantes inorgánicos o con materia orgánica no biodegradable.
los biológicos: los cuales se aplican a efluentes contaminantes biodegradables.
17
Tabla 1
1. Baja producción de sólidos biológicos de desecho, lo
que representa un ahorro en el tratamiento de éstos.
2. Requerimientos limitados de equipo, ya que los sistemas son relativamente simples (no hay necesidades
energéticas de aeración).
3. Balance positivo de energı́a, ya que hay un bajo
consumo energético y producción de CH4 como subproducto del proceso altamente utilizable.
4. Son relativamente procesos estables.
5. Actividad de lodos anaerobios preservada después
de periodos sin alimentación, lo cual representa ventajas para las industrias de temporada.
6. Aceptación de cargas volumétricas elevadas de
efluentes concentrados, (cargas orgánicas entre 10 y
20 Kg DQO/m ), tratabilidad de compuestos que no
se degradan fácilmente en sistemas aeróbicos (organoclorados, compuestos fenólicos, etc.,) (Noyola, 1989).
las caracterı́sticas del efluente a tratar (Hulshoff-Pol,
1986).
En los paı́ses en desarrollo, donde las condiciones
económicas no permiten la instalación de sistemas
sofisticados de alto costo para la recuperación del
agua, el empleo de sistemas biológicos de tratamiento de efluentes se plantea como una alternativa para la solución de este problema.
La diferencia principal entre los diversos procesos
biológicos para el tratamiento de aguas residuales,
está determinada en relación al metabolismo. Ası́ tenemos dos tipos de procesos generales: los aerobios
que requieren de oxı́geno y los anaerobios que no
requieren de oxı́geno, por lo que existen dos sistemas diferentes en cuanto a los procesos microbiológicos, aplicaciones, ingenierı́a y control (Noyola, 1989
y 1990).
En el proceso de digestión anaerobia, la descomposición de la materia orgánica se lleva a cabo por la acción de un ecosistema bacteriano relativamente complejo, el cual en ausencia de oxı́geno transforma la
materia orgánica en metano y bióxido de carbono
(Fig. 1 y Tabla 1). Además este proceso es particularmente útil, en comparación con el aerobio (Tabla 1), cuando se necesita tratar efluentes a altas
temperaturas o altas concentraciones, tanto de sólidos orgánicos solubles como insolubles, sin embargo la elección de los diferentes sistemas depende de
Figura 1. Degradación anaerobia de aguas residuales
(Eckenfelder, et al., 1988.
Ventajas de los sistemas anaerobios sobre los
sistemas aerobios
Las bacterias anaerobias utilizan entre el 5-10 % de
la energı́a contenida en el sustrato para funciones
de reproducción, originando nuevas células, dirigiendo el 90-95 % restante a la producción de gas metano, en cambio las bacterias aerobias emplean entre el 50 y 65 % de la energı́a del sustrato en la
sı́ntesis de nuevas células, mientras que la otra par-
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te es utilizada en la reutilización de otras funciones
metabólicas (Fig. 2).
Figura 2. Flujo de energı́a de los procesos biológicos
de tratamiento de aguas residuales (Eckenfelder, et al.,
1988.
Las reacciones bioquı́micas que se llevan a cabo en
este proceso son parecidas, a las que se realizan en
forma natural en los sedimentos acuáticos (pantanos,
manantiales, lagunas, etc.), en el intestino de animales y de seres humanos, la única diferencia es la velocidad de reacción.
De esta manera los compuestos contaminantes son
aprovechados y transformados en nuevas células, por
lo que las caracterı́sticas metabólicas determinan el
tipo de aplicación, ventajas y desventajas del proceso
(Fig. 2) (Cuervo, 1988, Noyola, 1989 y 1990).
El desarrollo de estos procesos ha originado la existencia de tres generaciones de reactores anaerobios:
primera generación: comprende aquellos procesos
donde la biomasa se encuentra en suspensión.
segunda generación: donde los microorganismos
son retenidos en el reactor, mediante un soporte, siendo los de mayor aplicación en México, debido a las altas eficiencias y bajos requerimientos en cuanto a su construcción, operación y tratamiento.
tercera generación: donde los microorganismos en
forma de biopelı́cula, se encuentran en un soporte
expandido o fluidificado (Noyola, 1989 y 1990).
Por lo anteriormente dicho, los sistemas de tratamiento anaerobios, representan técnica y económicamente una opción aplicable en nuestro paı́s.
Integración de los procesos de tratamiento de
aguas residuales
En el tratamiento secundario de las aguas residuales
por medio de digestión anaerobia, debido a las diferencias en el metabolismo anteriormente descrito, se
genera un efluente anaerobio, con altas concentraciones de materia orgánica (200 mg/l de DQO), ası́ como de nutrientes principalmente nitrógeno, fósforo
y amonio (producto de la degradación microbiana),
concentraciones excesivamente bajas de oxı́geno y
turbidez. La descarga directa de estos efluentes pueden llegar a causar serios problemas de eutroficación,
ası́ como alteraciones en la vida acuática, al ocasionar toxicidad e inhibición en el desarrollo de diversos organismos, además del desperdicio que representa la pérdida de dichos nutrientes. Por lo que se requiere realizar un postratamiento aerobio, el cual dependerá de las condiciones particulares de descarga, según los requerimientos existentes para su reutilización.
La opción de procesos no convencionales de tratamiento de aguas residuales, por vı́a anaerobiaaerobia ha demostrado ser la alternativa técnica,
económica con mejores resultados alcanzando eficiencias hasta del 99 %, básicamente cuando se tienen efluentes con concentraciones variables de materia orgánica, ası́ como normas estrictas de descarga (Noyola, 1990)
Analizando los procesos aerobios alternativos, se tienen los sistemas en los cuales se requieren la aplicación de energı́a: lodos activados, filtros percoladores y biodiscos, y aquéllos en donde no se requiere de la energı́a: lagunas facultativas y lagunas de alta tasa de oxidación con microalgas.
El desarrollo de cultivos microalgales, se presenta como una de las mejores alternativas para la remoción
de nutrientes inorgánicos y metales pesados, generados en los tratamientos secundarios, ya que no sólo
se mejora la calidad del efluente mediante un mecanismo biológico de bajo costo energético sino que representa además una fuente potencial del empleo de
la biomasa obtenida como alimento, extracción de
compuestos quı́micos, pigmentos, etc. (Fig. 3 y Tabla 2, pág. 19). De esta forma la finalidad del cultivo puede orientarse hacia la purificación del efluente o hacia la elevada producción de biomasa, dependiendo de los requerimientos planteados en el sistema (De la Noue, 1980; Picard, 1979; Salazar, 1996).
De esta manera la valorización del uso de estos sistemas integrales con microalgas, presenta ventajas importantes en varios aspectos: la obtención de efluentes de mejor calidad en cuanto a la disminución de
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nes de nutrientes (N y P), y materia orgánica (hasta 11440 mg/l de DQO ) (Monroy, et al., 1989).
Figura 3. Posibleas aplicaciones de los cultivos intensivos
de microalgas (Goldman, 1979).
Tabla 2
1. La extracción de materias primas, tales como lı́pidos, glicerol, pigmentos, hidrocarburos, polisacáridos, compuestos biológicamente activos como toxinas, inhibidores enzimáticos, antibióticos y antifúngicos (Hellebest, 1974; Aaronson, et al., 1980; Materassi, et al., 1980 y Casadevall, 1984 ).
Figura 4. Flujo de tratamiento de desagüe u otros
desechos lı́quidos con poblaciones mixtas de microalgas
y bacterias. El tratamiento en los estanques de alto rango de oxidación es completado después por la remoción
de materia particulada o digestión anaerobia para la producción de biogás (Soeder, 1980).
la concentración de nutrientes tóxicos para la flora y la fauna (nitratos, nitritos, amonio), el aumento en la concentración de oxı́geno (procesos fotosintéticos) permitiendo la descarga en embalses de
agua y por lo tanto la obtención de una biomasa algal que puede ser susceptible de aprovechamiento en
diferentes aspectos agroindustriales.
La simbiosis de bacterias-microalgas, en un proceso para el tratamiento de aguas residuales, se denomina: lagunas de alta tasa de oxidación, donde la oxidación bacteriana de la materia orgánica, genera nutrientes en forma disponible (inorgánica), los cuales
van a ser fácilmente asimilables por las células algales, produciendo oxı́geno disponible a través del proceso fotosintético para la oxidación continua de nuevos desechos, de esta manera los nutrientes son aprovechados y convertidos en biomasa algal (Salazar
González, 2006), favoreciendo la máxima remoción
de nutrientes, reduciendo la intensidad de la eutroficación en las aguas de desecho, debido a la disminución en la demanda quı́mica y biológica de oxı́geno.
Ası́ mismo, se presenta una inhibición en el desarrollo de organismos patógenos, debido a la elevación del pH por la absorción del CO2 en la fotosı́ntesis (Salazar, 1996). Considerando lo anterior, en la figura 4 se presenta el sistema integral de tratamiento de aguas residuales, mediante el uso combinado
de digestión anaerobia y microalgas.
Finalidades de la explotación de los cultivos
masivos de microalgas
En lo referente a las aguas residuales, las microalgas
son ampliamente utilizadas en el tratamiento de diversos tipos de efluentes (doméstico, agrı́cola, industrial, etc.,), ya que estos lı́quidos de desecho son un
medio adecuado que favorece la proliferación rápida, gracias a su tolerancia a elevadas concentracio-
Las microalgas también son empleadas, en la eliminación de sustancias tóxicas, como pesticidas, herbicidas, metales pesados, etc., debido a su resistencia y capacidad de acumular importantes concentraciones de compuestos tóxicos, sin afectar su actividad biológica. A nivel industrial se han patentado diversos procesos tecnológicos para el tratamiento de efluentes industriales o bien para la recupe-
2. Para uso alimentario en la producción de complementos protéicos, vitaminas, aminoácidos, tanto para animales, como para humanos (Burlew, 1953; Richmond, 1983, Goldman, 1979).
3. Tratamiento de aguas residuales, permitiendo el
reciclamiento de nutrientes, la oxigenación del agua
y el reuso con fines restringidos, siendo el propósito
más importante en los objetivos de este artı́culo (Fig.
4) (Oswald, 1969; Richmond, 1983, Goldman, 1979).
4. Generación de energı́a, mediante el uso de biomasa
generada o los residuos celulares para la producción
de metano o alcohol.
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ración de metales preciosos (oro y plata), mediante el empleo de los sistemas enzimáticos de las microalgas (Redalje, et al., 1989).
meros en donde se han obtenido los mejores resultados (Ramos y Salazar, 1989; Richmond, 1983, Salazar, 1996).
Sin embargo existen tres factores ambientales que limitan la producción de la biomasa: intensidad de luz,
temperatura y la concentración de nutrientes, variando la respuesta dependiendo de la especie utilizada, ası́ también, la eficiencia del proceso combinado, va a estar sujeta a las fluctuaciones en la
carga hidráulica y orgánica, tiempos de retención,
temperatura e intensidad luminosa, estos dos factores, van a regular las condiciones fisiológicas de las
células y por lo tanto el funcionamiento del cultivo, ya que las microalgas son organismos fotosintéticos, y existen algunos elementos que pueden limitar la penetración de la luz a los ecosistemas de
cultivo. Un factor determinante es la variedad de
efluentes que pueden ser tratados, ası́ como los posibles contaminantes a los que está sujeto el cultivo, ya que pueden afectar la composición de la biomasa final obtenida y restringir sus posibles aplicaciones. Dichos factores deben combinarse de manera adecuada para mantener el cultivo en condiciones óptimas, ya que ello repercutirá en una elevada
eficiencia de remoción, siendo el objetivo fundamental del empleo de cultivos algales como tratamiento terciario, en combinación con el proceso de digestión anaerobia precedido como tratamiento secundario (De la Noue, 1988; Pouliot, 1985; Ramos y Salazar, 1989). Ha sido reportado por Caperon (1972)
y Lui and Roels (1972), en sus diversos experimentos, que la velocidad de toma de nutrientes y el crecimiento algal, podı́an estar disociados durante ciertos periodos de tiempo, cuando el sistema no se encuentra en equilibrio, ocasionando bajos porcentajes de remoción en los compuestos nitrogenados.
La tecnologı́a para el cultivo de microalgas a gran
escala se encuentra todavı́a en etapa de desarrollo, su expansión ha sido limitada fundamentalmente por los elevados costos de inversión, sobre todo
en lo que se refiere a las grandes extensiones de terreno necesarias, mecanismos de agitación y procesos de separación, procesos de distribución y conservación de la biomasa. Se puede considerar, que la
implementación tecnológica de los sistemas de cultivo masivos, se encuentra en una etapa inicial, debido a los periodos cortos de tiempo en que se han venido desarrollando, siendo necesario orientar los esfuerzos de investigación hacia la reducción de los requerimientos de espacio, optimización de mecanismos de agitación y recolecta, todo esto sin olvidar
la estabilidad en la eficiencia del proceso de tratamiento, ni disminuir la producción de la biomasa algal (Humenik, et al., 1971; Oswald, 1969; Pieterse,
et al., 1982 y Solórzano, 1969).
El efluente obtenido finalmente puede ser empleado
directamente en estanques de producción acuı́cola
o bien filtrado a través de arena y grava para uso
agrı́cola o llevar a cabo su purificación para uso no
restringido, dependiendo de la eficiencia alcanzada
en el proceso (Boersma, 1975; Pieterse, et al., 1982;
Richmond, 1983 y Benemann, et al., 1987).
En México se han realizado diferentes investigaciones en el departamento de biotecnologı́a de la UAMI, trabajando con un sistema biológico integral de
tratamiento secundario de digestión anaerobia y tratamiento terciario con microalgas, utilizando efluentes de tipo doméstico-industrial; alcanzando elevadas eficiencias de remoción a nivel laboratorio y semipiloto, lo cual permite resolver algunos problemas,
mediante el empleo de sistemas y cultivo continuo o
semicontinuo en volúmenes reducidos, minimizando
los requerimientos espaciales y favoreciendo el rápido
desarrollo de los géneros utilizados, ya que según lo
reportado en la literatura, existen aproximadamente entre 8 y 12 géneros de microalgas, que se pueden
encontrar en las aguas residuales (Euglena, Scene-
En nuestro paı́s la implementación y desarrollo de
los cultivos microalgales son de gran importancia,
ya que se ven ampliamente favorecidos por las condiciones ambientales, ya que no existen marcadas diferencias en las variaciones de luz y temperatura,
además este tipo de cultivos se puede llevar a cabo en sistemas abiertos y cerrados, siendo en los pri-
En la actualidad, los sistemas de producción que se
encuentran en funcionamiento utilizan en su mayorı́a
estanques descubiertos, divididos en canales, construidos sobre grandes extensiones de terreno plano,
con profundidades entre 10 y 30 cm, y en las estaciones de tratamiento de aguas entre 40 y 100 cm para favorecer la actividad de los organismos heterótrofos, ası́ también se han probado diferentes técnicas
de recuperación de la biomasa, según los objetivos
a cumplir, como por ejemplo: centrifugación, floculación, filtración, coagulación, sedimentación, etc.,
(Burlew, 1953; Goldman, 1979; Richmond, 1980 y
Richmond, 1983).
Sistemas integrales de tratamiento de aguas residuales. . . Margarita Salazar G.
desmus, Ankistrodesmus, Chlamydomonas, Chlorella, Closterium, Anabaena, Spirulina, Phormydium,
Isochrysis, Dunaliella y algunas diatomeas) (Salazar González, 2006).
De acuerdo a la literatura, actualmente una gran mayorı́a de plantas de tratamiento anaerobio funcionan
en paı́ses como: Europa, Brasil, Colombia, Chile, Cuba, Uruguay y Guatemala (Hulshoff-Pol, et al 1986;
Manso, 1990; Collazos, 1990; Valdés, et al., 1990;
Chamy y Alkalay, 1990; Soubes y Muxi,1990) y terciario de efluentes industriales se encuentran operando en : Estados Unidos, Israel, Sudáfrica, Holanda, Tailandia, India (empleando una combinación de
lirio- microalgas), etc. Logrando eficiencias de remoción de nutrientes entre el 70 y 100 %, dependiendo del efluente, carga orgánica y de las condiciones climáticas en las que se desarrolle, con una producción de biomasa entre 10 y 35 g/m2 /dı́a (Edwards, et al., 1981; Tripathi y Snukla, 1991).
Conclusiones
La creciente demanda, sobre el adecuado manejo
de los recursos, ha hecho necesaria la implementación de mecanismos que permitan la reutilización de
los mismos. Considerando las caracterı́sticas socioeconómicas del paı́s, ası́ como la insuficiente infraestructura y los escasos sistemas de tratamiento, para la prevención y control de la contaminación, aunado al número limitado de plantas que se encuentran en operación, ası́ como las bajas eficiencias logradas, ha generado un gran interés por la investigación y desarrollo tecnológico de procesos no convencionales.
La utilización de sistemas integrales de tratamiento de efluentes domésticos e industriales, mediante la combinación de tratamientos secundarios (digestión anaerobia) y terciarios (lagunas de alta tasa de oxidación), se presenta como una de las mejores alternativas en el campo de la biotecnologı́a,
considerando aspectos técnico-económicos para los
paı́ses en desarrollo, reduciendo de esta manera los
costos de operación y mantenimiento. Aprovechando ası́ las caracterı́sticas de cada proceso (transformación de los contaminantes de energı́a y biomasa), en el cual se utilizan los nutrientes contenidos en
las aguas residuales para la obtención de un efluente de mejor calidad, con la generación de biomasa
utilizable en diferentes aspectos, logrando la continuidad o estabilidad en el funcionamiento, obteniendo finalmente un sistema altamente eficiente optimizando los recursos.
21
Además, dependiendo de los intereses propuestos, se
puede llevar a cabo la orientación del cultivo hacia la producción de biomasa o bien hacia la extracción de metabolitos de origen natural, de alto valor agregado con importantes aplicaciones en las industrias relacionadas en el campo de la Biotecnologı́a.
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