aguas residual es

Tratamiento de Tratamiento de Aguas ResidualesAguas Residuales

Cátedra Internacional de Ingeniería 2008 - Salud Púb lica y Saneamiento AmbientalUniversidad Nacional de Colombia

Bogotá, D. C. Junio 17 – Julio 11, 2008

Que es un Agua Residual?Que es un Agua Residual?

�� Son las Son las aguas de desecho aguas de desecho producidas producidas por por una comunidaduna comunidad

�� Dependiendo de su origenDependiendo de su origen::�� las aguas residuales se clasifican en:las aguas residuales se clasifican en:

•• DomesticasDomesticas•• IndustrialesIndustriales•• AgroindustrialesAgroindustriales

Aguas Residuales DomesticasAguas Residuales Domesticas

�� Constituidas por:Constituidas por:�� Desechos corporales humanos (heces y orina),Desechos corporales humanos (heces y orina),�� Aguas de lavadoAguas de lavado por actividades de por actividades de aseoaseo ::

•• personalpersonal•• preparacipreparaci óón de alimentosn de alimentos•• limpieza limpieza

�� Contienen:Contienen:•• SSóólidos Flotantes grandes suspendidoslidos Flotantes grandes suspendidos•• SSóólidos pequelidos peque ñños suspendidos y coloidalesos suspendidos y coloidales•• SSóólidos disueltoslidos disueltos

ComposiciComposicióón de las Heces y Orinan de las Heces y Orina

4.5 - 64.5Calcio

11- 1744 - 55Carbono

3 - 4.51 - 2.5Potasio (como K2O)

2.5 - 53 - 5.4Fósforo (como P2O5)

15 - 195 - 7Nitrógeno

65 - 8588 - 97Materia Orgánica

93 - 9666 - 80Humedad

Composición Aproximada (%)

50 - 70 g35 - 70 gCantidad (Habitante/día)

1 - 3 Kg135-270 gCantidad (Habitante/día)

OrinaHeces

CaracterizaciCaracterizaci óón de A. Residualesn de A. Residuales

�� Demanda TeDemanda Te óórica de Oxrica de Ox íígeno (DTO)geno (DTO)Cantidad teCantidad te óórica de oxrica de ox íígeno requerido para oxidar la geno requerido para oxidar la fraccifracci óón orgn org áánica de un desecho hasta nica de un desecho hasta dioxidodioxido de de carbono y aguacarbono y agua

CC66H12OH12O66 + 6O+ 6O22 →→→→→→→→ 6CO6CO22 + 6H+ 6H22OO180180 192 192

La DTO de una soluciLa DTO de una soluci óón de glucosa de 300 n de glucosa de 300 mgmg /L ser/L ser áá::DTO = 192/180 x 300 DTO = 321 DTO = 192/180 x 300 DTO = 321 mgmg /L/L

CaracterizaciCaracterizaci óón de A. Residualesn de A. Residuales

�� Demanda QuDemanda Qu íímica de Oxmica de Ox íígeno DQOgeno DQO�� Se obtieneSe obtiene al oxidar el residuo con un oxidante al oxidar el residuo con un oxidante

ququ íímico. Se oxidan mico. Se oxidan casi todoscasi todos los compuestos los compuestos orgorg áánicos a COnicos a CO 22 y Hy H22O. La reacciO. La reacci óón se lleva a n se lleva a cabo en mcabo en m áás del 95%s del 95%

�� Demanda BioquDemanda Bioqu íímica de Oxmica de Ox íígeno DBOgeno DBO�� Es la cantidad de oxEs la cantidad de ox íígeno requerido parageno requerido para oxidar oxidar el residuo biolel residuo biol óógicamentegicamente

CaracterizaciCaracterizaci óón den de A. ResidualesA. Residuales

DTO > DQO > DBO u > DBO 5

DBO5 / DQO = 0.5

DBOu / DBO5 = 1.5

En general: • Aguas Residuales Domesticas Sin tratar tienen una

relación aproximada de:

Concentración del Residuo

>1500> 750Muy Alta

1000500Alta

700350Media

< 400< 200Baja

DQO(mg/L)

DBO5(mg/L)

Concentración

ComposiciComposici óón de un Agua Residual n de un Agua Residual DomDom éésticastica

Inorgánicos

Sales

99.9% 0.1%

30%70%

65% 25% 10%

Agua Residual

Agua Sólidos

Orgánicos

Proteínas Carbohidratos Grasas Gravilla Metales

Etapas de TratamientoEtapas de Tratamiento

TP TS TT D

Sólidos

MOD

N

MP

Virus

P

SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

METABOLISMO: MICROORGANISMOS Y EL ENTORNO

METABOLISMO: MICROORGANISMOS Y EL METABOLISMO: MICROORGANISMOS Y EL ENTORNOENTORNO

FUENTE DE ENERGÍA

NUTRIENTES PARA BIOSÍNTESIS

PRODUCTOS DE DESECHO

ENERGÍA

ANABOLISMO

CATABOLISMO

PRECURSORESBIOSÍNTESIS

ENERGÍA

MACROMOLÉCULAS

DIVERSIDAD FILOGENÉTICA- DIVERSIDAD METABÓLICA ?

DIVERSIDAD FILOGENDIVERSIDAD FILOGENÉÉTICATICA-- DIVERSIDAD DIVERSIDAD METABMETABÓÓLICA ?LICA ?

- SINTESIS DE PROTEINAS- BIOSÍNTESIS- ENERGÍA- REPLICACIÓN

- TRANSFERENCIA HORIZONTALDE GENES.

- EFECTO DEL AMBIENTE- VIDA LIBRE (UNICELULAR)- MICROESCALA

METABOLISMO: CONTEXTO ABIÓTICOMETABOLISMO: CONTEXTOMETABOLISMO: CONTEXTO ABIABIÓÓTICOTICO

SON LAS REACCIONES BIOQUÍMICASUN “INVENTO” DE LOS ORGANISMOS VIVOS?

CÓMO AFECTÓ LA APARICIÓN DE LAVIDA LOS PROCESOS QUÍMICOS EN LATIERRA?

DIVERSIDAD METABÓLICA MICROBIANADIVERSIDAD METABDIVERSIDAD METABÓÓLICA MICROBIANALICA MICROBIANA

QUIMIOTROFOS FOTÓTROFOS

FOTOAUTÓTROFOSFOTOHETERÓTROFOSQUIMIOORGANOTROFOS

QUIMIOLITOTROFOS

MIXÓTROFOS QUIMIOLITOAUTÓTROFOS

TODOS LOS MICROORGANISMOS

DIVERSIDAD METABÓLICA MICROBIANADIVERSIDAD METABDIVERSIDAD METABÓÓLICA MICROBIANALICA MICROBIANA

ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOSALGUNOS CONCEPTOS BALGUNOS CONCEPTOS BÁÁSICOSSICOS

� REACCIONES DE OXIDO - REDUCCIÓN Y PROCESOS METABÓLICOS

� QUÉ IMPLICAN LAS REACCIONES DE OXIDO-REDUCCIÓN ?

� TODAS LAS REACCIONES DE OXIDO-REDUCCIÓN PRODUCEN ENERGÍA ?

� QUÉ IMPLICA UN ∆G NEGATIVO Ó POSITIVO ?

� POR QUÉ EL ATP ES LA MONEDA ENERGÉTICA ?

� POR QUÉ HAY OTRAS MOLÉCULAS CON MAYOR “ENERGÍA” (ALTO POTENCIAL PARA LA TRANSFERENCIA DE GRUPOS FOSFORIL)

� QUE SON EL NAD+ - NADH Y NADP+NADPH ?

�� REACCIONES DE OXIDO REACCIONES DE OXIDO -- REDUCCIREDUCCIÓÓN Y PROCESOS N Y PROCESOS METABMETABÓÓLICOSLICOS

�� QUQUÉÉ IMPLICAN LAS REACCIONES DE OXIDOIMPLICAN LAS REACCIONES DE OXIDO--REDUCCIREDUCCIÓÓN ?N ?

�� TODAS LAS REACCIONES DE OXIDOTODAS LAS REACCIONES DE OXIDO--REDUCCIREDUCCIÓÓN PRODUCEN N PRODUCEN ENERGENERGÍÍA ?A ?

�� QUQUÉÉ IMPLICA UN IMPLICA UN ∆∆G NEGATIVO G NEGATIVO ÓÓ POSITIVO ?POSITIVO ?

�� POR QUPOR QUÉÉ EL ATP ES LA MONEDA ENERGEL ATP ES LA MONEDA ENERGÉÉTICA ?TICA ?

�� POR QUPOR QUÉÉ HAY OTRAS MOLHAY OTRAS MOLÉÉCULAS CON MAYOR CULAS CON MAYOR ““ENERGENERGÍÍAA”” (ALTO (ALTO POTENCIAL PARA LA TRANSFERENCIA DE GRUPOS FOSFORIL)POTENCIAL PARA LA TRANSFERENCIA DE GRUPOS FOSFORIL)

�� QUE SON EL QUE SON EL NAD+NAD+ -- NADH Y NADH Y NADP+NADPHNADP+NADPH ??

POR QUÉ SON “CENTRALES” ESTAS RUTAS ?

POR QUPOR QUÉÉ SON SON ““CENTRALESCENTRALES”” ESTAS ESTAS RUTAS ?RUTAS ?

GLICÓLISIS

PENTOSAS

FOSFATO

EMD

ATP

ATP

PRECURSORESBIOSÍNTESIS

NADH

PRECURSORESBIOSÍNTESIS

PRECURSORESBIOSÍNTESIS

NAPDH

NADH

ATP

ATP

BIOSÍNTESIS

P-GLICERALDEHIDO

P-GLICERALDEHIDO

P-GLICERALDEHIDO

A QUÉ QUEREMOS LLEGAR ?A QUA QUÉÉ QUEREMOS LLEGAR ?QUEREMOS LLEGAR ?

ORIGEN DE LOS COMPUESTOS

UTILIZADOS POR LOS QUIMIOLITOTROFOS

ORIGEN DE LOS COMPUESTOS ORIGEN DE LOS COMPUESTOS

UTILIZADOS POR LOS QUIMIOLITOTROFOSUTILIZADOS POR LOS QUIMIOLITOTROFOS

ALGUNOS ASPECTOS GENERALES SOBRE LOS MICROORGANISMOS

QUIMIOLITOTROFOS

ALGUNOS ASPECTOS GENERALES SOBRE ALGUNOS ASPECTOS GENERALES SOBRE LOS MICROORGANISMOS LOS MICROORGANISMOS

QUIMIOLITOTROFOSQUIMIOLITOTROFOS

HS + H+ + ½ O2� So +H20 -203

So +½ O2 + H20 � SO42- + 2H+ -589

NH4 + 1 ½ O2 � NO2- + 2H + H20 -260

NO2- + ½ O2 � NO3- -76

H2 + ½ O2 � H20 -238

Fe2+ + H+ + 1/4O2 �Fe3+ + ½ H20 -71 CÓMO ES ESTA PRODUCCIÓN ENERGÉTICA COMPARADA CON LA OTROS MICROORGANISMOS ?

∆Go' (kJ/rx)

RESPIRACIÓN AEROBIA DE LA GLUCOSA -2823 kJ mol-1 !!!!

Metabolismo MicrobianoMetabolismo Microbiano1. Catabolismo

CxHyO2N + O2 →→→→ CO2 + H2O + NH3 + Energía

2. Anabolismo:CxHyO2N + Energía →→→→ C5H7NO2

3. Autolísis:C5H7NO2 + 5 O2 →→→→ 5CO2 + NH3 + H2O + Energía

OxidaciOxidaci óón Bioln Biol óógicagica

� conversión de elementos de la forma orgánica a inorgánica mediante mineralización

C C orgorgáánico nico + O+ O22 →→ COCO22

N N orgorgáániconico + O+ O2 2 →→ NONO33--

H H orgorgáániconico + O+ O2 2 →→ HH22OO

S S orgorgáániconico + O+ O2 2 →→ SOSO44==

P P orgorgáániconico + O+ O22 →→ POPO44==

Microorganismos

Procesos Biológicos de Tratamiento- Aerobios -

� Sistemas con crecimiento suspendido: los microorganismos (cultivo mixto) se mantienen en suspensión ya sea en la forma de un lodo, floc o gránulo

� Lodos Activados� Lagunas

� Sistemas con crecimiento adherido: los microorganismos crecen sobre una superficie, puede ser rocas, piedras, o material plástico� Filtros Percoladores (trickling filters)� Biotorres� Biodiscos (rotating biological contacters [RBC]

Proceso de Lodos ActivadosProceso de Lodos Activados

Sistemas con Biomasa AdheridaSistemas con Biomasa Adherida

Filtro Percolador

Biotorre

Biodiscos

Proceso de Lodos ActivadosProceso de Lodos Activados

�� Proceso biolProceso biolóógico de tratamiento gico de tratamiento de aguas residuales, en el cual los de aguas residuales, en el cual los microorganismos se unen para microorganismos se unen para formar una estructura como un formar una estructura como un ““lodo o floc o fangolodo o floc o fango””. Estos flocs . Estos flocs se desarrollan espontse desarrollan espontááneamente neamente al airear el agua residual.al airear el agua residual.

�� Los Los flocsflocs y el agua residual se y el agua residual se mezclan en un tanque de mezclan en un tanque de aireaciaireacióón. Las impurezas del agua n. Las impurezas del agua suministran los nutrientes para las suministran los nutrientes para las bacterias en el bacterias en el flocfloc, los cuales se , los cuales se absorben al interior de las cabsorben al interior de las céélulas.lulas.

�� Cuando el proceso se completa, Cuando el proceso se completa, los los flocsflocs y el agua tratada se y el agua tratada se separan por sedimentaciseparan por sedimentacióón en un n en un clarificadorclarificador

Lodos ActivadosLodos Activados

Afluente

Tanque de AireaciónSedimentadorSecundario

Efluente

Lodos Recirculados

Purga de Lodosde exceso

OxidaciOxidacióón Aerobian Aerobia

Agua Residual + O2

bacteriasResiduo Oxidado

Nuevas Células

Lodo ActivadoLodo Activado

� Material activo :� Células en crecimiento

� Células dormantes, células no viables con enzimas activas

� Material Inerte:• Células Muertas parcialmente

descompuestas

• Material matricial (bio-polímeros)

• Materia orgánica e inorgánica no sedimentable

Cultivo heterogéneo : bacterias, protozoos, rotíferos y hongos.

Lodo ActivoLodo ActivoForma: irregular, filamentos con protrusionesTamaño: 0.02 - 0.2 mmGravedad Específica: 1.005 g peso seco /mLDensidad Suspensión: 0.2 - 5 g peso seco /LConteo microscópico : 1012/gConteo en placa : 1010 - 1011/gTasa de Consumo de O 2: 10 - 60 mg O2/g /hTasa de Crecimiento : < 0.3 d -1

Géneros más frecuentes:Pseudomonas FlavobacteriumZoogloea BacillusSphaerotilus ArthrobacterAchromobacter BdellovibrioNitrosomonas Bacterias coliformes

PirPiráámide Eltonianamide Eltoniana

PRODUCTORES

HERBIVOROS

CARNIVOROS

GRANDESCARNIVOROS

Lodos ActivadosLodos Activados

Sales Minerales

Materia Orgánica Degradada

Residuo Orgánico Soluble

Sólidos Orgánicos Muertos

Bacterias Heterótrofas + Protozoos Saprobicos

ProtozoosHolozoicos

Nematodos + Rotíferos

BacteriasAutótrofas

Lodos de desecho

EfluenteAfluente

Organismos presentes en Lodos Organismos presentes en Lodos

ActivadosActivados

Bacterias Protozoos

Partículas Fibrosas Sales Precipitadas

Modelo de la Columna Vertebral FilamentosaModelo de la Columna Vertebral Filamentosa

�� Sugiere que existen dos grupos Sugiere que existen dos grupos microbiano responsables de la microbiano responsables de la floculacifloculacióón:n:

�� Microorganismos Filamentosos:Microorganismos Filamentosos:suministran una columna vertebral o suministran una columna vertebral o esqueleto resqueleto ríígidogido

•• Estructura y fuerza al lodoEstructura y fuerza al lodo•• Permite la colonizaciPermite la colonizacióón de los n de los

formadores del formadores del flocfloc

�� Organismos ZoogleicosOrganismos Zoogleicos:: se adhieren a se adhieren a los filamentoslos filamentos

•• Suministran una matriz gelatinosa que Suministran una matriz gelatinosa que atrapa otros microorganismos, material atrapa otros microorganismos, material coloidal y particulado coloidal y particulado

�� Las propiedades de sedimentaciLas propiedades de sedimentacióón, n, compactacicompactacióón y separacin y separacióón del lodo n del lodo estestáá relacionado con el nrelacionado con el núúmero relativo mero relativo de organismos filamentosos y de organismos filamentosos y zoogleicoszoogleicos

Modelo de la Columna Vertebral FilamentosaModelo de la Columna Vertebral Filamentosa

c

b

aABULTAMIENTO SEDIMENTACION

IDEAL

DEFLOCULACIONPIN POINT

Formadoras de Floc:Crecimiento rápidoAlta afinidad por el sustratoSusceptibles a condiciones de hambruna

Organismos Filamentosos:Crecimiento rápidoSusceptibles a la hambrunaGran afinidad por el oxigeno

Organismos Filamentosos :Crecimiento lentoResistentes a la hambrunaAlta afinidad por el sustrato

ParParáámetros de Crecimientometros de Crecimiento

0.040.040.80.80.1 (N)0.1 (N)0.30.3DesnitrificaciDesnitrificacióónn

0.050.050.20.21.4 (N)1.4 (N)0.50.5NitrificaciNitrificacióónn

0.060.060.6 (DBO)0.6 (DBO)50 (DBO)50 (DBO)5.05.0OxidaciOxidacióón n CarbonaceaCarbonacea

HeterHeteróótrofostrofos

KKdd

(d(d --11))YY

(g/g)(g/g)KKss

((mgmg /L)/L)µµµµµµµµmax.max.

(d(d --11))ProcesoProceso

Importancia de los Protozoos Ciliados en la Importancia de los Protozoos Ciliados en la Calidad del EfluenteCalidad del Efluente

29 29 -- 42429 9 -- 1212Bacterias(xBacterias(x 101044//mLmL))

86 86 –– 11811826 26 -- 3434SSóólidos Suspendidos lidos Suspendidos ((mgmg/L)/L)

14 14 –– 20207 7 -- 1010NitrNitróógeno orggeno orgáánico nico ((mgmg/L)/L)

198 198 –– 254254124 124 -- 142142DBO (DBO (mgmg/L)/L)

AusentesAusentesPresentesPresentes

CiliadosCiliadosParParáámetrometro

Efecto de la Presencia de Protozoos sobre la Efecto de la Presencia de Protozoos sobre la

Calidad del EfluenteCalidad del Efluente

0

0,5

1

1,5

2

Agua Residual Licor Mezclado Efluente

Tipo de Agua

Esc

heric

hia

coli

(x 1

06 /m

L)

Sin Tratamiento Protozoos + Protozoos-

Heterótrofas Autótrofas

Residuo Orgánico

Bacterias

Dispersas Floculentas

Riz

ópod

os

Fla

gela

dos

Ciliados Nadadores Libres

Ciliados Rastreros

Ciliados Adheridos

Sapróbicas spp. Holozóicas spp.

Sucesión de Protozoos durante la Purificación del Residuo en

Lodos Activados

Eficiencia de Purificación

Lodos con buenas propiedades de Lodos con buenas propiedades de sedimentacisedimentaci óónn

Floc

Problemas: abultamiento de lodos

Organismos FilamentososOrganismos Filamentosos

Thiotrix (Sulfur granules)

Leucothrix

Microthrix parvicella

Type 0092 (Neisserstained)

N.limicola

Type 021N

FormaciFormacióón de la Biopeln de la Biopelíículacula

�� La formaciLa formacióón de una peln de una pelíícula microbiana sobre cula microbiana sobre una superficie es el resultado de varios una superficie es el resultado de varios procesos fprocesos fíísicos, qusicos, quíímicos y biolmicos y biolóógicos que gicos que incluyen:incluyen:�� Transporte de material soluble y particulado del fluido Transporte de material soluble y particulado del fluido

a la superficiea la superficie�� Adherencia de las cAdherencia de las céélulas microbianas a la superficielulas microbianas a la superficie�� Transformaciones microbianas (crecimiento, Transformaciones microbianas (crecimiento,

reproduccireproduccióón) en la superficie con produccin) en la superficie con produccióón de n de materia orgmateria orgáánicanica

�� Parcial Parcial desorcidesorcióónn del deposito debido principalmente del deposito debido principalmente a las fuerzas de corte a las fuerzas de corte

FormaciFormacióón de la Biopeln de la Biopelíículacula

�� Tasa de transporte de las cTasa de transporte de las céélulas microbianas lulas microbianas del fluido a la superficiedel fluido a la superficie

�� FenFenóómenos interfaciales que dan como menos interfaciales que dan como resultado la adsorciresultado la adsorcióón/adhesin/adhesióón de las cn de las céélulas a lulas a la superficiela superficie

�� Reacciones en la pelReacciones en la pelíícula, lo cual incrementa la cula, lo cual incrementa la acumulaciacumulacióón de la masa celular (crecimiento, n de la masa celular (crecimiento, exoexo--polisacpolisacááridos)ridos)

�� Fuerzas relacionadas con la remociFuerzas relacionadas con la remocióón parcial de n parcial de la pella pelíícula en un campo de corte por el fluidocula en un campo de corte por el fluido

Filtros PercoladoresFiltros Percoladores

Sales Minerales

Materia Orgánica Degradada

Residuo Orgánico Soluble

Sólidos Orgánicos Muertos

Bacterias Heterótrofas + hongos + Protozoos Saprobicos

Protozoos Holozoicos

Insectos: larvas + Crisálidas

BacteriasAutótrofas

Lodos húmicos

Efluente

Afluente

Rotíferos y Nematodos

Transferencia de Materiales Transferencia de Materiales Fauna de Pastoreo

Protozoos Holozóicos

Microorganismos Sapróbicos(Película)

Sólidos Orgánicos Muertos

Bacterias Autótrofas

Material Orgánico en Solución y Suspensión

Materia Orgánica Degradada en Solución

Sales Minerales

AFLUENTE

EFLUENTE

Síntesis

Oxidación Biológica

Productos de desecho

SSííntesis y Produccintesis y Produccióón de Energn de Energííaa

C, O, H, N, S, PAgua Residual

MicroorganismosPelícula

+

SINTESIS RESPIRACION

INCREMENTO DE LOSMICROORGANISMOS

PELICULA

ENERGIA

PRODUCTOS FINALESCO2, H2O, NH3, PO4, SO4

EFLUENTE

RemociRemocióón de Patn de Patóógenosgenos

NENENENENENENENEDigestiDigestióón n AnaerobiaAnaerobia

7979--959593939090--99997070--9090LagunasLagunas

9292--9999----9999Lagunas de Lagunas de OxidaciOxidacióónn

8383--9494--6060--1001006060--100100Filtros Filtros PercoladoresPercoladores

6565--9494--85856060--9595Lodos Lodos ActivadosActivados

2020--5555VVVVVVSedimentaciSedimentacióón n PrimariaPrimaria

VirusVirusSalmonellaSalmonellaS. fecalS. fecalE. E. colicoliProcesoProceso

DistribuciDistribucióón por Grupo de Protozoosn por Grupo de Protozoos

160160CiliophoraCiliophora

3131ActinopodeaActinopodea (6)(6)

RhizopodeaRhizopodea (25)(25)

SarcodinaSarcodina

3333PhytomastigophoraPhytomastigophora (17)(17)

ZoomastigophoraZoomastigophora (16)(16)

MastigophoraMastigophora

Lodos ActivadosLodos Activados

116116CiliophoraCiliophora

3838ActinopodeaActinopodea (7)(7)

RhizopodeaRhizopodea (31)(31)

SarcodinaSarcodina

6565PhytomastigophoraPhytomastigophora (30)(30)

ZoomastigophoraZoomastigophora (35)(35)

MastigophoraMastigophora

Filtros Filtros PercoladoresPercoladores

No. De EspeciesNo. De EspeciesClaseClaseSubphylumSubphylumSistemaSistema

FotografFotografíía Electra Electróónicanica