MICROBIOLOGÍA APLICADA

ISPJAE

CENTRO DE ESTUDIO DE INGENIERIA DE PROCESOS

MAESTRIA INGENIERIA EN SANEAMIENTO AMBIENTAL

MICROBIOLOGÍA APLICADA

Dr. Carlos Menéndez Gutiérrez 2000

C. Menéndez. Microbiología Aplicada

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1. INTRODUCCIÓN El objetivo del tratamiento de las aguas residuales es eliminar los contaminantes presentes en las mismas. En muchos casos los principales contaminantes son compuestos orgánicos, solubles e insolubles, diversas formas de nitrógeno, fósforo y compuestos inertes. En la mayoría de las ocasiones, los compuestos orgánicos, ya sean solubles o no. al igual que los de nitrógeno, pueden ser eliminados mediante procesos biológicos. Así mismo parte del fósforo puede ser asimilado al incorporarlo a la masa celular producida, pero el porcentaje de eliminación es mucho menor al que se logra para el nitrógeno y los compuestos orgánicos. Para los profesionales que se dedican al saneamiento ambiental, la microbiología de los tratamientos no es un fin en si mismo, pero su conocimiento ayuda a una mejor comprensión de los diferentes procesos biológicos y contribuye a la realización de modificaciones y búsqueda de variantes que favorezcan una mejor eficiencia de las operaciones de depuración. Un diseño efectivo de un proceso biológico de tratamiento de aguas residuales, depende en cierta medida del conocimiento básico de: • requisitos de nutrición de los microorganismos • factores ambientales que afectan el crecimiento • metabolismo de los microorganismos • relación entre crecimiento y utilización de sustrato 2. METABOLISMO Los microorganismos requieren de una fuente de energía y carbono para la síntesis de nuevas células así como de nutrientes inorgánicos para sus diferentes funciones. El metabolismo es la combinación de un conjunto de transformaciones bioquímicas necesarias para la síntesis celular (anabolismo) y la producción de energía (catabolismo) que ocurren a través de procesos enzimáticos. La clasificación de los diferentes microorganismos puede hacerse a partir de la forma en que los mismos obtienen el carbono y la energía. O sea, por los procesos anabólicos y catabólicos utilizados por el organismo. Las diferentes reacciones a las que están sujetos los sustratos o sustancias que sirven de alimento a los microorganismos, pueden enmarcarse en dos grupos de procesos: 1. catabolismo 2. anabolismo

Catabolismo Es un proceso de degradación enzimática. Las reacciones que ocurren son de oxidación, y por tanto es exotérmico. Durante el catabolismo se logra la liberación de la energía que se encuentra incorporada a la estructura compleja de las moléculas orgánicas. La energía liberada es tomada y almacenada en el interior de la célula por determinados compuestos, entre ellos, el adenosín trifosfato, conocido comúnmente como ATP.


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Anabolismo El anabolismo es un proceso de síntesis que lleva implícito el aumento de la complejidad y tamaño de la célula. Es un proceso de reducción que consume energía. La energía requerida en esta fase es tomada del ATP formado en la etapa catabólica. De esta manera el ATP se convierte en ADP (adenosín difosfato). A su vez, el ADP puede entonces captar nuevamente energía transformándose en ATP, constituyendo así un determinado ciclo.

Por cada mol de ATP transformado en ADP se liberan 8,4 kcal, ATP + H2O ADP + H3PO4 + 8,4 kcal 3. REQUISITOS DE NUTRICIÓN Para los microorganismos, los nutrientes : • suministran el material necesario para la síntesis de los compuestos citoplasmáticos • son fuente de energía para el crecimiento de la célula y las reacciones de biosíntesis • sirven como aceptor de los electrones que se separan durante las reacciones vinculadas a la

obtención de energía para el crecimiento. Una clasificación de los requisitos de nutrición de los microorganismos se puede hacer en función de los compuestos que pueden ser utilizados para suministro de energía, como aceptor de electrones y como fuente de carbono. Esta clasificación se muestra en la siguiente tabla.


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Clasificación de los requisitos de nutrición.

Función Fuente

Suministro de energía Compuestos orgánicos Compuestos inorgánicos Luz solar

Aceptor de electrones

Oxígeno Compuestos orgánicos Oxígeno de compuestos inorgánicos

Suministro de carbono

CO2 HCO3

-1 Compuestos orgánicos

De acuerdo con la tabla anterior, y considerando sus requisitos de nutrición, los microorganismos pueden ser divididos: a) En función de la forma química del carbono utilizado: autótrofos: Utilizan compuestos de un átomo de carbono como única fuente de este

elemento, CO2 , HCO3-1 , metano y formaldehído

heterótrofos: Utilizan el carbono en su forma relativamente compleja de compuestos orgánicos reducidos.

Los organismos autótrofos tienen un requerimiento adicional de energía para la síntesis al tener que reducir el dióxido de carbono a una forma orgánica del carbono. Esto da como resultado que los microorganismos autótrofos tienen menor velocidad de crecimiento que los heterótrofos. b) En función de la fuente de energía que emplean: fotótrofos: Utilizan la luz como fuente de energía. quimiotótrofos: Utilizan reacciones de redox para el suministro de energía. A su vez, según el tipo de compuesto oxidado,

quimioorganótrofos: utilizan moléculas orgánicas complejas como dadores de electrones quimioautótrofos: utilizan moléculas inorgánicas reducidas, tales como el amoníaco, nitritos, sulfuros,

tiosulfatos, hidrógeno molecular Los organismos quimioorganótrofos o quimioheterótrofos abundan en el tratamiento biológico de aguas residuales. Su demanda de carbono orgánico es el proceso predominante cuando la DBO carbonácea es removida del agua residual. Las bacterias fotótrofas probablemente sólo desempeñan un papel menos importante en la remoción de la DBO.


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4. ENZIMAS MICROBIOLÓGICAS Las actividades de la célula dependen de la utilización que ésta haga de los nutrientes. Todas las reacciones que intervienen en la actividad celular están controladas por enzimas. Las enzimas son catalizadores de los procesos biológicos y actúan con un alto carácter selectivo. Las enzimas en general catalizan 3 tipos de reacciones: • hidrólisis • oxidación • síntesis Las enzimas hidrolíticas son extracelulares, y se utilizan para hidrolizar sustancias alimenticias insolubles, transformándolas en compuestos simples solubles capaces de atravesar la pared celular. Las enzimas de oxidación reducción están directamente relacionadas con la energía para el crecimiento y mantenimiento de las funciones de la célula. Son intracelulares. Estas reacciones de redox incluyen la adición o eliminación de oxígeno o hidrógeno. La mayoría de los microorganismos oxidan sus alimentos mediante la eliminación enzimática de hidrógeno de sus moléculas. Así, las enzimas denominadas dehidrogenasas separan el hidrógeno de la molécula que lo contiene, pasando de un sistema enzimático a otro, hasta que es utilizado para reducir al aceptor de hidrógeno final. El aceptor final de hidrógeno viene dado por la naturaleza aerobia o anaerobia del medio y por el carácter de los organismos que intervienen. Para los procesos aerobios, el aceptor final es el oxígeno. En condiciones anaerobias, compuestos oxidados son los que actúan como aceptores finales de hidrógeno, reduciéndose. Figura 1.

Figura 1. Enzimas microbiológicas


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Los procesos de oxidación y reducción son simultáneos. Durante la oxidación se libera energía y se consume durante la reducción. El resultado final, neto, es que la energía producida es superior a la consumida, siendo el exceso utilizado por la célula. Las enzimas de síntesis, intracelulares, catalizan la síntesis de material celular para el mantenimiento de la célula y para la generación de otras nuevas. Las condiciones ambientales influyen significativamente en la actividad de las enzimas. Éstas son especialmente sensibles al pH, temperatura, y presencia de ciertos iones, tales como el fosfato, el calcio y el magnesio. 5. REQUISITOS DE OXÍGENO La presencia o no de oxígeno molecular, permite clasificar los microorganismos en 3 categorías: • aerobios • anaerobios • facultativos Los microorganismos aerobios utilizan el oxígeno molecular como último aceptor de electrones, mientras que los anaerobios utilizan otros compuestos diferentes al oxígeno para esa función. Los facultativos, aunque crecen a mayor velocidad en un medio aerobio, pueden utilizar también otros compuestos diferentes al oxígeno como aceptores de electrones. La Escherichia coli, un coliforme común, es una bacteria facultativa. El tipo de aceptor de electrones utilizado por los microorganismos indica el grado de desarrollo de la reacción resultante y la cantidad de energía que llega a estar disponible para el crecimiento y mantenimiento de la célula. Los microorganismos heterótrofos, aerobios y facultativos, generalmente oxidan completamente sus alimentos, no ocurriendo lo mismo en el caso de los anaerobios. En el siguiente ejemplo puede apreciarse la diferencia en la producción de energía según el metabolismo: kcal689OH6CO6O6OHC 2226126 ++→+ kcal31CO2OHC2OHC 2626126 ++→ En la primera reacción, la oxidación del compuesto es completa, y en consecuencia se libera la máxima cantidad de energía. Así mismo la oxidación completa puede ocurrir en los facultativos. En la segunda reacción, correspondiente a un proceso anaerobio, la oxidación de la glucosa es solo parcial y hay menos liberación de energía que en la primera.


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Algunas bacterias aerobias autótrofas pueden también oxidar completamente los compuestos inorgánicos que utilizan como fuente de energía.

kcal237HSO2O3OH2S2 2422 +→++ Sin embargo, las Nitrosomonas sólo oxidan parcialmente al amoníaco bajo condiciones aerobias. kcal66,5OH2ONH2O3HN3 2223 ++→+ 6. EFECTOS DEL pH Para la mayoría de los microorganismos y, consecuentemente, para los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales, el intervalo de pH para una operación adecuada, está comprendido entre 4,5 y 9,0. El valor óptimo de pH generalmente se encuentra en el intervalo de 6,5 - 7,5. Es conocido que mientras los hongos y algas asimilan mejor el pH ácido, las bacterias se desarrollan preferiblemente cuando el pH está por encima de 7,0. Normalmente el pH de trabajo de estos procesos biológicos está comprendido entre 6,5 y 7,5. No obstante, los procesos de aereación extendida trabajan bien aún a pH entre 9,0 y 10,5. 7. MICROORGANISMOS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS BIOLÓGICOS Los organismos que comúnmente se encuentran en los sistemas de tratamiento biológicos de aguas residuales se clasifican en: • animales • plantas • protistas.

Todos ellos a su vez se subdividen en otros. Los protistas son aquellos organismos que no pueden ser identificados ni como animales ni como plantas, y se clasifican en: • eucariotas • procariotas. Los protistas eucariotas poseen núcleo en la célula, mientras que se denomina procariotas a aquellos que no lo poseen. A continuación se señalan los microorganismos más representativos de cada uno de estos grupos:


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• animales: rotíferos crustáceos • plantas: plantas de semilla musgos helechos • protistas: eucariotas: algas protozoos hongos procariotas: bacterias algas verdiazules De los anteriores, los de mayor importancia en el tratamiento de aguas residuales son las bacterias, hongos, protozoos, algas y rotíferos. 7.1 Bacterias Son protistas unicelulares. Su reproducción es por división binaria. Se presentan aisladas o formando colonias. Las bacterias constituyen el grupo de microorganismos más importante en el tratamiento de las aguas residuales. Entre sus características más significativas se destacan: • Elevada relación superficie/volumen, consecuencia de lo cual aquellos procesos que tienen lugar a

nivel superficial se ven incrementados. • Elevado metabolismo, ya que la captura de nutrientes es muy rápida. • Rápida utilización de nutrientes, dando lugar a una elevada velocidad de crecimiento y, por tanto, a

una gran velocidad de multiplicación. • Su pequeño tamaño le confiere elevada movilidad y por tanto gran velocidad de propagación. Las bacterias presentan además otras características que las diferencian de los restantes microorganismos, tal como la facilidad de adaptación a nuevos ambientes debido a su versatilidad nutricional. Tamaño El tamaño de las bacterias es muy variable, encontrándose que oscila entre 1 y 10 μm de largo y de 0,2 a 1 μm de ancho. Este tamaño puede variar dependiendo de las condiciones existentes para el crecimiento. Morfología La morfología de las bacterias puede diferenciarse en dos categorías: a) bacilar b) cocácea


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En la morfología bacilar los ejes longitudinal y transversal de la célula son diferentes, dando origen a una morfología, como su nombre lo indica, alargada. Las células pueden aparecer rectas (bacilos), o curvadas. Dependiendo del número de vueltas de espira que presenten, los bacilos curvados se denominan vibrios (una vuelta de espira), y espirilos (si presentan más de una vuelta de espira). Si tienen más de una vuelta, pero éstas son irregulares, son denominados espiroquetas. Figura 2. Las bacterias con morfología cocácea, tienen sus ejes longitudinal y transversal similares. Por esta razón presentan aspecto esférico.

Figura 2. Bacterias comunes Además de esta morfología general, las bacterias pueden presentarse aisladas o formando agrupaciones o colonias, que suelen recibir nombres específicos. Así, los bacilos que aparecen asociados en forma de cadenas se denominan estreptobacilos. Por su parte los cocos, que también forman agrupaciones se clasifican en estreptococos (formando cadenas), tetradas (agrupaciones regulares en un solo plano), sarcinas (en varios planos) y estafilococos (agrupaciones irregulares). Estructura. La estructura de la célula bacteriana es la típica de una célula procariota. Por esta razón el material genético se encuentra desnudo, apareciendo en el centro del citoplasma como una zona fibrilar. Cuando se analizan las invariantes de la estructura bacteriana, pueden encontrarse elementos que aparecen en todos los tipos de bacterias, elementos constantes, y otros elementos que solo aparecen en determinadas bacterias, elementos no constantes.


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Los elementos constantes son estructuras vitales para la célula y prácticamente la definen. Su ausencia implica la pérdida de viabilidad de la bacteria. Los elementos no constantes son estructuras no vitales y su presencia constituye una ventaja adaptativa. Elementos constantes • Envoltura celular (pared celular y membrana citoplasmática) • Citoplasma • Ribosomas • Nucleoide

La pared celular le confiere forma y rigidez a la célula, protegiéndola. Tiene una composición compleja, constituida por polisacáridos, liposacáridos, lípidos, proteínas y lipoproteínas, entre otros compuestos. Estos componentes se asocian entre si de diversas formas, dando lugar a dos tipos fundamentales de paredes. Esto se traduce en dos tipos de bacterias , las grampositivas y las gramnegativas, en dependencia de la forma en que respondan a la tinción de Gram. La membrana citoplasmática bacteriana presenta una estructura típica de membrana y su composición está constituida por lípidos y proteínas. La membrana es un centro importante de actividad metabólica, ya que contiene proteínas enzimáticas que intervienen en procesos de obtención de energía y síntesis de diferentes componentes celulares. Contiene proteínas para el transporte de nutrientes al interior de la célula y desempeña un papel importante en la distribución del material genético durante la división celular. El citoplasma contiene gran cantidad de ribosomas, pero de menor tamaño del de los ribosomas eucariotas. El nucleoide consiste en una molécula del ácido desoxirribonucleico (DNA), de forma circular, no presenta membrana alguna que lo separe del citoplasma y constituye el material genético celular. Elementos no constantes Los elementos no constantes lo constituyen los flagelos, pelos, fimbrias, glucocálix, e inclusiones intracitoplasmáticas. Los flagelos son estructuras proteicas fibrilares fijos a nivel de la envoltura celular, que por rotación permiten la movilidad de las bacterias en medio fluído. Los pelos y las fimbrias son también estructuras fibrilares de naturaleza proteica, pero que no están implicados en el movimiento celular, sino en la unión a sustratos sólidos y la transmisión de señales entre las células (fimbrias) o en la transferencia de material genético (pelos). El glucocálix está constituido por material mucilaginoso de naturaleza polisacárida, que rodea a las células bacterianas.


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Las inclusiones intracitoplásmicas son estructuras que aparecen en el citoplasma como materiales de reserva o como estructuras que confieren alguna ventaja selectiva a las bacterias que las poseen, como flotabilidad y orientación. 7.1.1 Bacterias aerobias De acuerdo al requerimiento de oxígeno, las bacterias pueden ser aerobias o anaerobias. Las primeras prevalecen en los lodos activados en sus diferentes variantes, los filtros biológicos y los biodiscos, entre otros sistemas. El papel predominante de las bacterias frente a otros protistas en la degradación de la materia orgánica, está directamente relacionada con su pequeño tamaño, y su mayor relación superficie/volumen, lo que incrementa su capacidad para intercambio de nutrientes. Los lodos activados presentan una población menos diversa que la que ofrecen los filtros percoladores. El grupo fundamental está constituido por bacterias heterótrofas, estando presente las autótrofas fundamentalmente en sistemas de altas edades de lodo. Los flóculos característicos de los sistemas de lodo activado, están formados por conglomerados de bacterias rodeadas de un polímero que las mismas segregan, y que está constituido fundamentalmente por hidratos de carbono. Las condiciones hidráulicas del reactor, así como de operación y tipo de residual, determinará el tipo de microorganismo predominante. La concentración de oxígeno disuelto, el pH, y el contenido de nitrógeno y fósforo, también influyen. Las bacterias aerobias heterótrofas remueven una significativa cantidad de DBO carbonácea mediante la oxidación de la materia orgánica para satisfacer necesidades de carbono para el crecimiento. Las diferentes etapas asociadas al proceso de crecimiento pueden ilustrarse de manera resumida mediante las ecuaciones derivadas de un análisis elemental. Utilizando la molécula sencilla de glucosa en representación de compuestos más complejos que están presentes en la realidad, se tendrá: Síntesis de nuevas células 5 C6H12O6 + 6 NH4

+ 6 C5H7NO2 + 18 H2O + 6 H+ ... 1 respiración aerobia C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O ... 2 El crecimiento neto puede representarse sumando las ecuaciones de síntesis y de respiración,


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C6H12O6 + NH4

+ + O2 C5H7NO2 + CO2 + 4 H2O + H+ ... 3 La ecuación que representa la muerte de los microorganismos se representa por: C5H7NO2 + H+ + 5 O2 5 CO2 + NH4

+ + 2 H2O ...4 Mediante estas ecuaciones se demuestra la necesidad del carbono orgánico y el nitrógeno para la producción de proteína celular . Adicionalmente el fósforo, que constituye entre 2 - 3 % del peso seco de la célula, es utilizado para las transformaciones de energía en la célula. Cuando se incluye el fósforo, la fórmula empírica aproximada de la célula es C60H87O23N12P. 7.1.2 Bacterias anaerobias Las bacterias anaerobias se caracterizan por no requerir oxígeno libre para su metabolismo. Pueden distinguirse dos grupos: las anaerobias estrictas y las facultativas. Las anaerobias estrictas no pueden desarrollarse en presencia de oxígeno mientras que las facultativas lo hacen en presencia o ausencia de oxígeno libre. Los procesos anaerobios también son capaces de remover DBO carbonácea a través del consumo de materia orgánica, pero solamente si el proceso fermentativo tiene lugar hasta su completamiento y no parcialmente. Considerando que en los procesos anaerobios no hay presencia ni producción de oxígeno, no habrá reducción de la DBO a menos que se produzca metano y sea desprendido como gas. Durante la anaerobiosis sólo un 5 % aproximadamente del carbono orgánico es utilizado en la síntesis de nuevas células. Los sistemas anaerobios utilizan los procesos de hidrólisis y fermentación para transformar los compuestos complejos en moléculas sencillas. Las moléculas complejas no pueden ser metabolizadas por las bacterias anaerobias, por tanto la primera etapa del proceso es la hidrólisis de tales moléculas, transformándolas en otras más sencillas. Posteriormente ocurre la acetogénesis y la formación de ácidos, otros compuestos de baja masa molecular, hidrógeno y CO2. La remoción de DQO es después facilitada por el desprendimiento del metano producido por los organismos metanogénicos que utilizan como sustrato los productos de la acetogénesis y de la formación de ácidos. Cada una de las tres fases de la degradación anaerobia (hidrólisis, formación de ácidos, formación de metano), se caracterizan por el tipo de bacterias presentes:


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Bacterias hidrolíticas Bacterias formadoras de ácidos Bacterias formadoras de metano 7.2 Hongos La denominación corresponde a un gran conjunto de géneros. Figura 3. Los hongos son microorganismos eucariotas heterótrofos, siendo la mayoría aerobios estrictos. Pueden crecer con poca humedad, toleran medios con baja concentración de oxígeno y pH y su demanda de nitrógeno es la mitad de la requerida por las bacterias. Al igual que éstas, los hongos pueden utilizar alimentos sólidos secretando enzimas hidrolíticas extracelulares. El régimen hidráulico del reactor, así como la naturaleza del residual, influyen de forma determinante en el predominio o no de estos organismos filamentosos, aunque están presentes en prácticamente todos los dispositivos de tratamiento de residuales de naturaleza aerobia. La presencia de hongos en el efluente de un tratamiento secundario es generalmente una de las principales causas del fenómeno conocido como abultamiento de los lodos, cuya manifestación externa es la mala sedimentabilidad de los flóculos biológicos. Los filamentos de los hongos pueden ser largos, con un diámetro de 3,0-8,0 μm de ancho una longitud de entre 300 y 1 000 μm, con septos claramente visibles al microscopio corriente. Muchas pueden ser las causas de la presencia de microorganismos filamentosos en las estaciones depuradoras de aguas residuales. Bajos valores de pH, baja concentración de oxígeno, residuales ricos en carbohidratos y bajas concentraciones de sustrato en los reactores, son factores que favorecen el crecimiento de organismos filamentosos sobre las bacterias formadoras de flóculos.

Figura 3. Ejemplos de hongos


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7.3 Protozoos La degradación de la materia orgánica en los procesos biológicos, independientemente de su naturaleza aerobia o anaerobia, se lleva a efecto por las bacterias, que a su vez sirven de alimento a otros organismos superiores, como los protozoos. Los protozoos son protistas móviles, y por lo general son heterótrofos aerobios, aunque en ocasiones se detectan algunos protozoos anaerobios en los tratamientos. Su reproducción es por fisión binaria. Estos organismos microscópicos tienen un sistema digestivo complejo y emplean la materia orgánica insoluble como fuente de carbono y energía. Los protozoos son un puente vital en la cadena trófica acuática, ya que se alimentan de bacterias y algas. La principal función de los protozoos es separar el exceso de bacterias no floculadas en las aguas residuales, propiciando entonces la obtención de un efluente clarificado. Algunos de los protozoos más comunes aparecen ilustrados en la figura 4.

Figura 4. Algunos tipos de protozoos


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Las especies que poseen cilios parecidos a pelos son prevalecientes en los sistemas de lodos activados. Los protozoos con cilios pueden categorizarse como móviles libres (free swimmimg), como el paramecium, y con tallos (stalked), como la vorticella. Los de movimientos libres se mueven muy rápidamente en el agua e ingieren su alimento a alta velocidad. Los protozoos con forma de tallo se fijan a partículas y emplean los cilios para impulsar su movimiento contráctil para alcanzar el alimento. Los protozoos se mueven mediante flagelos, la euglena entre ellos, y por motilidad de su protoplasma, como es el caso de las amebas. 7.4 Algas Las algas son microorganismos eucariotas, autótrofos y fotosintéticos. La presencia de estos microorganismos en las capas superioes de los filtros biológicos es normal, así como en las lagunas de oxidación que trabajan a niveles bajos de carga orgánica. El proceso de fotosíntesis que caracteriza a las algas, se ilustra por la ecuación : En presencia de luz solar, CO2 + 2 H2O nueva célula + O2 + H2O En la oscuridad, O2 + H2O + célula CO2 + 2 H2O El efecto neto del proceso anterior es la producción de una nueva vida, aumentando la concentración de algas. El oxígeno producido durante el período de incidencia de la radiación solar es una fuente importante de este elemento en el caso de las lagunas aerobias y facultativas. En el horario diurno la fuente de energía para la síntesis, es la solar. En ausencia prolongada de luz solar, como ocurre en horario nocturno, tiene lugar la reacción inversa a la de síntesis. El alga degrada el propio protoplasma como medio de obtención de energía. La velocidad de esta reacción endógena es significativamente menor que la de fotosíntesis. En la figura 5 pueden observarse diferentes tipos de algas características.


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Figura 5. Algas 7.5 Rotíferos Los rotíferos son animales aerobios, heterótrofos y multicelulares. Al igual que los protozoos, juegan un papel importante en las unidades de lodo activado, al favorecer la floculación y sedimentación de los lodos. Están presentes en menor concentración que los protozoos. Un rotífero típico, mostrado en la figura 6, usa los cilios que posee alrededor de su cabeza, para capturar el alimento, constituido por partículas sólidas. 7.6 Crustáceos Son animales aerobios, heterótrofos y multicelulares. Su presencia indica un relativo alto nivel de depuración del agua residual. Figura 6.


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Figura 6. Rotífero y crustáceos típicos 8. CRECIMIENTO El crecimiento de los microorganismos sigue una tendencia definida que ha sido estudiada más extensamente relacionada con bacterias y protozoos, los que se multiplican por fisión binaria. La fisión binaria resulta en que cada célula se divide en dos nuevas de igual capacidad para la metabolización. A diferencia de los microbiólogos, que estudian el crecimiento microbiano basándose en la variación del número de organismos, los ingenieros ambientales lo hacen sobre la base del crecimiento de la biomasa. La curva de crecimiento basada en el crecimiento de la biomasa presenta, en lo fundamental, tres fases bien diferenciadas (Figura 7): • Crecimiento logarítmico • Decrecimiento • Respiración endógena


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Figura 7. Curva de crecimiento de la biomasa

Figura 8. Relación entre crecimiento y consumo de sustrato Fase logarítmica del crecimiento En esta fase siempre existe un exceso de sustrato alrededor de la biomasa, y la velocidad de crecimiento y consumo de sustrato está limitada solo por la habilidad de los microorganismos de asimilar este último. Al final de esta fase, los microorganismos se encuentran creciendo a su máxima velocidad y por tanto, la remoción de sustrato también se encuentra a su máxima velocidad.


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La fase logarítmica es un tema de interés, ya que se trata de aprovechar la máxima velocidad de consumo de materia orgánica. Sin embargo, la utilización de la fase logarítmica en el tratamiento de residuales no es aconsejable. A esa etapa de la curva de crecimiento le corresponde una elevada concentración de sustrato, tal como ya ha sido expuesto. Esto significa que no es posible producir un efluente estable cuando la biomasa se encuentra en la fase logarítmica de crecimiento. Figura 8. Fase decreciente del crecimiento La limitación del sustrato promueve que la velocidad de crecimiento disminuya durante esta fase. En la medida que disminuye la concentración de sustrato, disminuye la velocidad de crecimiento. Esta es una fase que usualmente se emplea en los sistemas convencionales de tratamiento. Fase de respiración endógena Cuando el crecimiento cesa, la concentración de sustrato se encuentra a su más baja concentración. 9. DINÁMICA DE LA POBLACIÓN Anteriormente han sido descritas por separado algunas de las características más significativas de los grupos de microorganismos que prevalecen en los sistemas de tratamiento biológicos de aguas residuales. Sin embargo en la practica, estos organismos coexisten constituyendo un sistema de cultivo mixto. Se hace por tanto necesario dar al menos una visión preliminar de las relaciones de cooperación y competitividad que se presentan entre las variadas poblaciones que se presentan simultáneamente para lograr comprender mejor estos procesos de tratamiento. La disponibilidad de materia orgánica para su degradación, da origen a una especie de competencia entre la población mixta de microorganismos para su asimilación como fuente de alimentación. 9.1 Lodo activado Los consumidores primarios que son más competitivos se constituyen en los organismos predominantes. Bajo condiciones normales de operación, las bacterias son generalmente los consumidores primarios dominantes en los sistemas de lodo activado. Los protozoos saprofíticos, que se alimentan de la materia orgánica (p.e. Euglena), no son competidores efectivos contra las bacterias. Las especies de bacterias prevalecientes tienen una alta dependencia de la naturaleza de los compuestos orgánicos a degradar y de las condiciones de operación en el reactor. Si prevalecen condiciones adversas, tales como bajo pH, baja concentración de oxígeno disueltoy poca disponibilidad de nutrientes, estarán las condiciones creadas para el predominio de hongos filamentosos, dando lugar al abultamiento de los lodos. En la figura 9 se presenta un esquema vinculado con la dinámica de la población en estos sistemas.


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Figura 9. Esquema de la dinámica de la población para lodos activados Una relativa elevada concentración de azúcares que caracteriza a algunos residuales industriales, puede ser causa de un elevado crecimiento del filamentoso Sphaerotilus natans. Esta situación rara vez se presenta en sistemas municipales que tratan agua constituida en lo fundamental por aguas residuales de origen doméstico. En los sistemas de lodo activado hay un grupo de bacterias, las primarias, que se mantienen en la fases de declinación o en la endógena del crecimiento. Bajo el predominio de estas condiciones, las bacterias primarias mueren y se produce la lisis celular, vertiendo el contenido celular a la solución. Los protozoos, que se alimentan de las bacterias, están presentes en estos sistemas. Ellos crecen asociados a las bacterias en una relación presa-depredador. Esto es, las bacterias consumen materia orgánica, sintetizan nueva materia orgánica, y los protozoos consumen la bacteria. Para un simple ciclo reproductivo, los protozoos consumen miles de bacterias, con efectos beneficiosos de la acción presa-depredador que se deriva. Entre estos efectos pueden citarse: • La reducción de las bacterias estimula el crecimiento ulterior de las mismas, dando como resultado

la eliminación acelerada de la materia orgánica de la solución • Las características floculentas de los lodos producidos se mejoran en la medida que se reduce la

presencia de grupos de bacterias libres La competencia por el sustrato también se presenta en el caso de los consumidores secundarios.En una suspención con alta población bacteriana, los protozoos móviles libres predominan, pero cuando escasea la alimentación , prevalecen los protozoos con tallos. Estos últimos no requieren tanta energía como los móviles, por tanto ellos compiten mejor en sistemas con baja concentración de bacterias.


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9.2 Filtros percoladores Los filtros biológicos, como ya fue señalado, presentan mayor diversidad de organismos que los lodos activados. La composición microbiana no es uniforme en toda la profundidad del filtro, lo que dificulta el estudio teórico de los rendimientos a obtener en estas unidades de tratamiento. Las bacterias nitrificantes están presentes en la zona inferior del filtro, y su presencia se manifiesta fundamentalmente en aquellos dispositivos que trabajan a baja carga. 9.3 Digestión anaerobia Los procesos anaerobios son conducidos por una elevada variedad de bacterias que se categorizan en dos grandes grupos: las bacterias formadoras de ácido y las formadoras de metano. Los protozoos no funcionan en los digestores que operan bajo condiciones estrictamente anaerobias. Las bacterias formadoras de ácido son facultativas o anaerobias que matabolizan la materia orgánica formando ácidos volátiles como producto final. Las formadoras de metano usan los ácidos orgánicos volátiles como sustrato, dando lugar a la producción de dióxido de carbono y metano como productos finales. Estas bacterias, que son estrictamente anaerobias, se inctivan por la presencia de oxígeno libre e inhiben ante la presencia de compuestos oxidados. Las formadoras de metano son muy sensibles a los cambios de pH y otras condiciones ambientales. El diagrama simplificado de la figura 10 ilustra la relación entre estos dos grupos de bacterias durante la digestión anaerobia. Cuando llega a ocurrir un desbalance en la dinámica poblacional, se presentan problemas de operación en estos sistemas. Por ejemplo, si de manera brusca aumenta la concentración de los compuestos orgánicos que se alimentan al digestor, las bacterias formadoras de ácido procesan rápidamente este sustrato y desarrollan un exceso de ácidos volátiles. Las formadoras de metano, cuya población a estado limitada hasta ese momento por una más baja concentración de ácidos volátiles, son incapaces de metabolizar este nuevo sustrato con suficiente velocidad como para prevenir una caída en el pH.

Figura 10. Diagrama de la dinámica de la población de la digestión anaerobia


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9.4 Lagunas Existe una relación interesante entre bacterias y algas en lagunas y cursos receptores. La bacteria metaboliza la materia orgánica, dando origen, entre los productos finales de esa función, a dióxido de carbono, nitrógeno y fósforo. Las algas usan estos compuestos, junto con la energía solar, para la síntesis de nuevas células, produciendo oxígeno como producto secundario. El oxígeno producido por las algas es asimilado por las bacterias, cerrando de esta manera una especie de ciclo que. Figura 11.

Figura 11. Simbiosis alga-bacteria 10. CRECIMIENTO DE LA BIOMASA. ASPECTOS CINÉTICOS 10.1 Descripción cuantitativa del crecimiento Cuando un número pequeño de células bacterianas se colocan en una solución líquida conteniendo un exceso de alimentos, en un medio ambiente adecuado, se dispone de condiciones en las cuales el crecimiento puede tener lugar. El crecimiento de las células refleja el funcionamiento del sistema enzimático que conduce a la incorporación de productos macromoleculares al citoplasma. Sin embargo el aumento de la masa citoplasmática y crecimiento de un organismo no continua indefinidamente, y después de alcanzar un tamaño determinado, la célula se divide debido a limitaciones hereditarias e internas. Asociado con el crecimiento celular existen otros dos procesos: la utilización de los nutrientes y la formación de productos metabólicos finales. La velocidad de ambos procesos varía considerablemente durante el crecimiento. Muchas especies de bacterias presentan un modelo de crecimiento similar al ilustrado en la figura 7. Debe ser destacado que el ciclo de crecimiento no es una propiedad básica de la célula, sino el resultado de su interacción con el entorno en un ambiente cerrado. Es posible mantener las células en la


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fase exponencial de crecimiento durante largos períodos cuando se utiliza un sistema abierto tal como un flujo continuo. 10.2 Modelos para describir el crecimiento Velocidad de crecimiento especifica de la biomasa Algunos de los requisitos más importantes para el crecimiento de la biomasa en un cultivo de bacterias son, tal como ya ha sido señalado anteriormente, disponer de: • fuente de energía • una fuente de carbón • aceptor externo de electrones • adecuadas condiciones físico-químicas ambientales. Se sabe que, cuando todos los requisitos de crecimiento están presentes, el incremento en la concentración de biomasa, ΔX en un cierto período Δt, es proporcional a la concentración de biomasa presente X, pudiéndose escribir:

XμdtdX

= ... 5

Es interesante discutir el significado de la constante μ. En primer lugar, para que la ecuación 1 tenga todo el sentido, debe ser dimensionalmente correcta. Al tener X dimensiones de (masa/volumen), μ la debe tener de(tiempo-1). Esta ecuación significa además que la velocidad de crecimiento relativa es constante para cualquier tiempo e igual a μ.,

μdtdX

X1

= ... 6

El parámetro μ representa por tanto la velocidad de crecimiento por unidad de biomasa y se designa como velocidad específica de crecimiento. Es bien conocido que el crecimiento Exponencial se mantiene mientras no se produzcan cambios en la composición de la biomasa y las condiciones ambientales permanezcan constantes. Un cambio en las condiciones ambientales es posiblemente la causa más común de desviación del crecimiento exponencial. Esto ocurrirá siempre en cierto momento del crecimiento cuando se emplea un sistema discontinuo. Monod amplió la descripción cuantitativa de la curva de crecimiento clásica mostrada, para incluir tanto la región de crecimiento exponencial como la de declive. A partir de datos experimentales observó que la velocidad de crecimiento específica, es una función no sólo de la concentración de microorganismos sino además de la concentración de algunos nutrientes limitantes. La relación


23

existente entre la concentración residual del nutriente limitante y la velocidad específica de crecimiento de la biomasa es descrita por medio de la ecuación 7,

SKSμμs

m += ... 7

donde μ - Velocidad específica de crecimiento μm - Máximo valor de μ S - Concentración residual del sustrato limitante

Km - Constante de saturación (concentración de S para la cual mμμ21

=

De la ecuación 7 se deduce que μ puede tener cualquier valor entre 0 y μm. Esto prueba que la concentración de sustrato puede ser mantenida constante a un valor dado. Cualquier sistema diseñado para el cultivo continuo de microorganismos reúne esta condición. El diseño de muchos procesos de tratamiento de aguas residuales se basa en esta característica. Coeficiente de rendimiento El coeficiente de rendimiento se define matemáticamente como :

ΔSΔXY = ... 8

siendo ΔX el crecimiento en biomasa que resulta de la utilización de una cantidad de sustrato ΔS. Tomando límites:

YdtdX

= ... 9

La cantidad de nutrientes requerida por un organismo viene dada por el coeficiente de crecimiento Y. 10.2.1 Modelo cinético de Pirt Ya se ha visto que para los microorganismos heterótrofos, el sustrato es a la vez fuente de carbón y energía, siendo de interés distinguir que parte del sustrato se destina a funciones de sintesis y cual a funciones de energía.


24

Si en un tiempo Δt se realiza un balance de sustrato: sustrato sustrato sustrato total = utilizado = utilizado utilizado para síntesis para energía ΔS = (ΔS)S + (ΔS)E ... 10 Si ΔX representa el incremento de biomasa en el tiempo Δt,

( ) ( )

XS

XS

XS ES

ΔΔ

+ΔΔ

=ΔΔ

... 11

Recordando que Y = ΔX / ΔS , entonces la ecuación 11 puede transformarse,

eS YYY111

+= ... 12

YE no tiene un significado real vinculado con el rendimiento, ya que no se produce biomasa a partir del sustrato que se dedica a la energía, sino que sólo indica la fracción de éste que es eliminado por unidad de biomasa producida que se deriva a energía. Por otro lado,Pirt (1975) propuso que los microorganismos utilizan la energía para crecimiento (síntesis) y para mantenimiento. Entonces el término (ΔS)E /ΔX puede expresarse de la forma siguiente:

( ) ( ) ( )E

MCE

YXSS

XS 1

=Δ

Δ+Δ=

ΔΔ

... 13

(ΔS)c parte del sustrato utilizado para energía de crecimiento. (ΔS)M parte del sustrato utilizado para energía de mantenimiento. Cuando los requisitos de energía de mantenimiento son cero (ΔS)M = 0 , la ecuación 13 se reduce a:

( ) ( )E

cE

YXS

XS 1

=ΔΔ

=ΔΔ

... 14


25

Esto representa unas condiciones en crecimiento óptimas ya que una parte del sustrato que podía haber sido oxidado para suministrar energía de mantenimiento será ahora asimilada en nueva biomasa. En tales condiciones se habla de verdaderos valores de Y=YT

EST YYY111

+= ... 15

De acuerdo con las ecuaciones 10 y 13,

ES dtdS

dtdS

dtdS

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

MCE dtdS

dtdS

dtdS

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

M⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

dtdS

dtdS

dtdS

dtdS

CS

MP dtdS

dtdS

dtdS

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= ...16

donde (dS/dt)P es la velocidad de utilización de sustrato en función del crecimiento, tanto la síntesis como la energía para la síntesis). Pirt (1975) demostró que (dS/dt)E = bX, es decir la velocidad de utilización del sustrato para mantenimiento es proporcional al número de microorganismos presentes. La constante de proporcionalidad b representa la cantidad de sustrato por unidad de masa utilizado para mantenimiento en la unidad de tiempo, o velocidad específica de consumo de sustrato para el mantenimiento:


26

bdtdS

X1

M

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Por tanto, la ecuación 16 queda,

bXdtdS

dtdS

P

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= ...17

Recordando que:

dtdX

X1μ = y además,

dSdXY = ,

sustituyendo en la ecuación 17, se tiene que

bμY1q

T

+= ...18

donde al considerar YT se está aceptando que el sustrato utilizado en función del crecimiento es igual al utilizado cuando no hay funciones de mantenimiento, y además,

dtdS

dX1q =

De acuerdo con la ecuación 18, la velocidad específica de utilización del sustrato es igual a la velocidad específica de utilización del sustrato para crecimiernto (síntesis + energía) más la velocidad específica de utilización del sustrato para mantenimiento. La ecuación 18 es la expresión del modelo cinético de Pirt


27

10.2.2 Modelo cinético de Herbert Para interpretar la disminución en producción de biomasa que se observa cuando la velocidad de crecimiento específica (μ) decrece, ha sido sugerido por Herbert (1958) que la “energía requerida para mantenimiento” se obtiene a través de metabolismo endógeno. Esto es, los compuestos celulares son oxidados para satisfacer la energía de mantenimiento, con preferencia a la utilización del sustrato. En tal situación el balance de biomasa puede escribirse: crecimiento = crecimiento - pérdida de biomasa en neto total respiración endógena

e⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

dtdX

dtdX

dtdX

Cneta

...19

La velocidad a la que se pierde biomasa por respiración endógena es proporcional a la cantidad presente de la misma,

XkdtdX

de

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

...20

kd representa la pérdida de biomasa por unidad de tiempo y biomasa y se denomina “Coeficiente de desaparición de los microorganismos” (t-1). Sustituyendo 20 en 19,

XkdtdX

dtdX

dCneta

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

...21

11. NECESIDAD DE OXÍGENO Tal como se ha indicado el oxígeno es utilizado en el metabolismo energético de los microorganismos heterótrofos aerobios como aceptor final de electrones en las reacciones de oxidación del sustrato para obtener energía para la síntesis de material celular y para energía de mantenimiento. La existencia de un déficit en el suministro de oxígeno conlleva la inmediata pérdida de calidad del efluente y alteraciones en las características de la biomasa tales como incremento en su índice volumétrico de lodos (IVL).


28

Es preciso, para la buena marcha del proceso, asegurar en el reactor el correcto suministro de oxígeno y garantizar así mismo un nivel de oxígeno disuelto igual o superior a 2 mg/l. Existen varios métodos para evaluar la demanda de oxígeno: - Metcalf and Eddy proponen uno a partir de la DBO última del efluente y la cantidad de biomasa

efluente del sistema. El método se basa en las siguientes consideraciones: Si todo el sustrato eliminado por los microorganismos fuese totalmente oxidado, la demanda de oxígeno sería:

O2 = Q[DBOu (in) - DBOn (out)] Siendo O2 = requerimiento de oxígeno (kg.d-1) Q = flujo de agua residual ( m3.d-1) DBOu = Demanda Bioquímica de Oxígeno Última (kg. m-3 ) Sin embargo, en la realidad no todo el sustrato es oxidado. Sólo una parte del sustrato eliminado se utiliza para energía. El resto es utilizado para síntesis de biomasa, y en consecuencia no requiere un consumo de oxígeno. En condiciones de régimen estacionario, la biomasa producida es igual a la biomasa efluente del sistema. Considerando que la biomasa puede describirse mediante la fórmula C5H7NO2 , la cantidad de oxígeno necesario para oxidarla puede calcularse:

3222275 NHOH2CO5O5NOHC ++⎯→⎯+ resultando 1.42 kgO2 (kg biomasa)-1, en consecuencia la cantidad de oxígeno necesario se obtendrá a partir de la expresión:

Demanda de O2 = Q ΔDBOu - 1.42 ΔX Siendo ΔDBOu la variación de la Demanda Bioquímica final o última de Oxígeno y ΔX la producción de biomasa del sistema. El otro método para el cálculo del Oxígeno se basa en considerar que parte del oxígeno se utiliza para la obtención de energía para síntesis y parte para la obtención de energía para mantenimiento.


29

Si se toma en consideración el modelo de Herbert, para el cual todo el sustrato es convertido en biomasa y una parte de esta es oxidada en la respiración endógena para suministrar la energía de mantenimiento, el cálculo de la demanda de oxígeno se realiza mediante la expresión:

XbdtdSY

dtdO2 ′+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛′= ...22

Y ' - coeficiente de utilización de oxígeno para síntesis b ' - coeficiente de utilización de oxígeno para mantenimiento En términos finitos:

O2 = Y ' Q( So-Se ) + b ' XV ...23 V = volumen del tanque o reactor bajo aereación. Si se considera el modelo de Pirt, para el cual una parte del sustrato es convertida en biomasa y otra parte es oxidada para obtención de energía de mantenimiento, el cálculo de la demanda de oxígeno se realizará mediante la expresión:

XbdtdSY

dtdO

12 +′= ... 24

Y ' - demanda de oxígeno para síntesis de biomasa b1 - demanda de oxígeno por unidad de biomasa para mantenimiento en términos finitos

O2 = Y 1 ΔS + b1 XV ... 25 12. NITRIFICACION Se denomina nitrificación al proceso biológico en dos etapas mediante el cual el nitrógeno amoniacal es convertido en nitrato. Existen dos grupos de bacterias responsables de este proceso: Nitrosomas y las Nitrobacter. Se trata de bacterias: autótrofas (utilizan carbón inorgánico para síntesis), aerobias (utilizan oxígeno molecular como aceptor final de electrones), quimiotótrofas (utilizan la energía obtenida en reacciones de oxidación). La reacciones de obtención de energía se presentan en forma simplificada:


30

+− +→+ H3NOO21NH 223 …26

−− →+ 322

12 NOONO ...27

este proceso puede realizarse en reactores con biomasa en suspensión o biomasa fija, y en ambos casos en el mismo reactor en el que se realiza la degradación de la materia orgánica o en un reactor posterior utilizado exclusivamente para nitrificación. Cinética de la nitrificación Se ha demostrado que el crecimiento de las bacterias nitrificantes puede representarse por la cinética de Monod según la ecuación 7:

SKSμμs

m += ...28

siendo S la concentración de sustrato limitante, en este caso la fuente de energía. En régimen estacionario no se ha observado acumulación importante de nitritos, por lo que se considera que el paso limitante es la conversión del nitrógeno amoniacal a nitrito mediante las Nitrosomas. El proceso total de nitrificación puede ser descrito mediante la expresión:

( ) ( ) [ ][ ]+

+

+=

4SN

4NmN NHK

NHμμ ... 29

siendo: (μ)N - velocidad específica de crecimiento de las Nitrosomas (μm)N - máxima velocidad específica de crecimiento de las Nitrosomas [NH4

+ ]- concentración de nitrógeno amoniacal en el reactor KSN - constante de saturación


31

En condiciones de régimen estacionario el inverso de la edad celular ( θX -1) es igual a la velocidad

específica de crecimiento de la biomasa μ. Esto explica que cuando se desea establecer un proceso de nitrificación en un sistema de lodos activados, la edad celular deberá ser inferior al valor de la máxima velocidad específica de crecimiento de las Nitrosomas (μm)N. De otro modo se producirá un lavado de bacterias nitrificantes en el reactor. 13. DENITRIFICACIÓN La denitrificación ocurre en un medio anóxico, en el que bacterias facultativas como la Achromobacter, Aerobacter, Bacillos, Flavobacterium, Pseudomonas y Spirillum obtienen el oxígeno para su respiración de la reducción del nitrato y el nitrito en ausencia de oxígeno molecular. La ecuación que representa el proceso es: 6 NO3

- + 5 CH3OH 3 N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH- ..... 30 esta ecuación puede representarse secuencialmente por: NO3

- NO2- NO N2O N2 ..... 31

Como los últimos 3 compuestos de esta secuencia son gases, escapan directamente a la atmósfera. La denitrificación está limitada significativamente por la disponibilidad de nitrato y cumple con el modelo cinético del tipo Monod. En caso de haber presencia de oxígeno molecular en el medio, el sistema enzimático de la denitrificación se verá inhibido. Sin embargo el hecho de detectarse oxígeno disuelto en el seno del líquido no da una medida representativa del oxígeno disuelto en el interior del flóculo del lodo. Pueden existir condiciones anaerobias en el interior del flóculo biológico aún en un sistema aerobio. La velocidad de denitrificación puede expresarse en función de la concentración de sustrato (s) y del oxígeno disuelto en la zona anóxica:

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+

=DOK

KSK

SμμDo

Do

DDmD .... 32

donde: μD = velocidad específica de denitrificación (mg NO3 / mg ssv-d) (μm)D = velocidad específica máxima


32

KD = constante de saturación mg L-1 de DBO DO = concentración de oxígeno disuelto mg L-1 Kdo = constante de saturación mg L-1 de oxígeno disuelto. De la ecuación 32 queda claramente definido que la velocidad de denitrificación disminuye en la medida que lo hace la DBO disponible y el oxígeno aumenta. Las características de la fuente de carbono influye significativamente en la denitrificación. Generalmente se emplean en tal sentido compuestos fácilmente biodegradables como el metanol, el ácido acético y la glucosa.

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