APÉNDICE A

PREVENCIÓN DEL BULKING FILAMENTOSO Y DE LA

FORMACIÓN DE ESPUMAS

Una correcta separación en el decantador secundario de la biomasa activa del agua tratada es crucial en la obtención de un efluente de buena calidad, puesto que los sólidos suspendidos representan del 50% al 80% de la demanda biológica de oxígeno en el agua vertida al medio receptor.

Para que la separación sea efectiva, es necesario que los microorganismos se agreguen en flóculos compactos. En este proceso, los microorganismos filamentosos funcionan como una red a la que quedan fijados los microorganismos floculantes, formando flóculos mayores que decantan más fácilmente. Sin embargo, si la presencia de microorganismos filamentosos es excesiva, se forma una malla que impide una correcta separación de las fases sólida y líquida, lo que da lugar al proceso conocido por bulking filamentoso.

En el presente apéndice se describen brevemente los tipos de microorganismos filamentosos más comunes en los procesos de fangos activos, así como los problemas de operación que originan. Por último, se presentan brevemente los principales métodos de control del crecimiento de los microorganismos filamentosos, orientados a obtener una correcta biocenosis del fango activo.

250 Apéndice A

A.1 INTRODUCCIÓN

El desarrollo de sistemas con eliminación de nutrientes ha aumentado la incidencia del bulking filamentoso respecto a los sistemas de eliminación de materia orgánica a partir de los años 50, en los que este problema se producía básicamente en plantas de tratamiento de agua industrial (Casey et al., 1995; Eikelboom et al., 1998). La causa de este aumento son las condiciones de operación necesarias para que se produzca la eliminación de nitrógeno y fósforo, que promueven asimismo la formación de microorganismos filamentosos.

Así, una de las principales causas de aparición del bulking filamentoso es la baja relación entre las concentraciones de sustrato y microorganismos, F/M, resultante del aumento de volumen, y por lo tanto del SRT, asociado a la eliminación de nutrientes. Otras posibles causas son: bajo nivel de oxígeno, agua procedente de fosas sépticas, presencia de sulfuros, deficiencia de nutrientes y bajo pH. Hoy en día el bulking filamentoso es uno de los mayores problemas a los que tienen que hacer frente las plantas de tratamiento biológico de aguas residuales, encontrándose casos en todos los procesos, desde cortos a largos SRT, con reactores de flujo-pistón o mezcla completa, con o sin eliminación de nutrientes.

Los principales efectos de la proliferación de microorganismos filamentosos son una menor compactación del fango y la aparición de espumas.

La disminución de la densidad del fango hace que éste pueda aparecer en el agua efluente de la planta si la altura del manto de lodos en el decantador aumenta excesivamente. Para evitarlo, es necesario disminuir la concentración de sólidos suspendidos en el reactor biológico, reducir la carga hidráulica o utilizar un mayor volumen para la decantación.

El grado de compactación del fango se representa principalmente mediante dos parámetros, el índice de volumen de lodos (SVI: Sludge Volume Index) y el índice de volumen de lodos diluidos (DSVI: Diluted Sludge Volume Index). Se considera que hay bulking filamentoso cuando el SVI supera valores de 200 ml/g o cuando el DSVI supera los 150 ml/g.

El SVI se define como la relación entre el volumen ocupado por un litro de fango extraído del reactor tras 30 minutos de decantación y la concentración

Prevención del bulking filamentoso y de la formación de espumas 251

inicial de sólidos suspendidos en el fango. La facilidad del ensayo hace que este índice se utilice ampliamente, pese a que su valor depende de la concentración de sólidos a la que se realiza el ensayo.

( )g/mlX

VSVI 30=

(A.1)

Donde:

V30: volumen del fango decantado transcurridos 30 minutos (ml/l) X: concentración inicial de sólidos suspendidos del fango (g/l)

El DSVI se halla mediante el mismo procedimiento, con la diferencia de que el fango es diluido con agua tratada. A pesar de ser un test de mayor complejidad, su precisión respecto a otros índices justifica su utilización.

( )g/ml'X

'VDSVI 30=

(A.2)

Donde:

V’30: volumen del fango decantado transcurridos 30 minutos (ml/l) X’: concentración inicial de sólidos suspendidos en el fango (g/l)

después de las disoluciones necesarias para obtener un valor de V’30 inferior a 200 ml/l

Algunos de los microorganismos filamentosos son hidrófobos y producen biosurfactantes, lo que origina la formación de espumas, que causan numerosos problemas de operación. Debido a que las bacterias filamentosas se concentran en la espuma, no pueden eliminarse mediante la purga de fangos en exceso, lo que origina su acumulación en el reactor biológico, pudiendo representar hasta el 30% de la biomasa activa. Por otra parte, la espuma puede pasar al decantador secundario y de éste al medio receptor, aumentando la concentración de sólidos suspendidos en el efluente.

252 Apéndice A

A.2 IDENTIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS FILAMENTOSOS

La identificación de las bacterias filamentosas causantes de la aparición del bulking es fundamental para controlar su crecimiento, debido a la naturaleza no uniforme de este tipo de microorganismos. Sin embargo, su identificación es un método caro que requiere su aislamiento y la utilización de avanzados ensayos de laboratorio. Afortunadamente, el control del bulking filamentoso no exige la identificación de la bacteria concreta que lo causa, sino que es suficiente con conocer sus propiedades fisiológicas y problemas de operación que genera.

En 1975, Eikelboom propuso una técnica de identificación que describe 26 tipos de bacterias filamentosas diferentes y las agrupa en 7 tipos de acuerdo a sus características morfológicas (Eikelboom, 1975). Esta técnica fue rápidamente adoptada debido a la simplicidad del método de identificación propuesto, realizable en cualquier planta de tratamiento dotada de un buen microscopio. Los manuales surgidos a partir de este método se basan en la incorporación de la bacteria estudiada a uno de los tipos descritos en base a una serie de características como su forma, color, localización, tipo de crecimiento, movilidad, dimensiones, respuesta a distintas tinciones, etc.

A partir de esta clasificación en base a tipos, aparecen diversos autores que agrupan los tipos descritos en grupos de bacterias filamentosas. Su clasificación se fundamenta no sólo en las características externas del microorganismo filamentoso, sino que incluyen la cinética de su crecimiento, requerimientos y afinidad por el sustrato, habilidades metabólicas, problemas que causan, y otros. Así, van den Eyde clasifica en 1983 los microorganismos en cuatro grupos en base a las condiciones de operación y tipo del agua residual que favorecen su aparición, Jenkins añade además el efecto del pH en su clasificación y Wagner establece el efecto que los distintos tipos de bacterias filamentosas ejercen sobre el índice de volumen de lodos (Wanner, 1994a).

Estas clasificaciones no sólo permiten identificar el tipo de microorganismo que predomina en la aparición del bulking filamentoso sino que dan una idea de sus posibles causas. Wanner y Grau (1989) resumen las clasificaciones anteriores agrupando los distintos tipos de microorganismos filamentosos en cuatro grupos.

Prevención del bulking filamentoso y de la formación de espumas 253

• Grupo S: microorganismos del tipo de Sphaerotilus (Sphaerotilus natans, Haliscomenobacter hydrossis, tipos 1701, 0041 y 0675), que crecen en condiciones óxicas. Utilizan sustrato fácilmente biodegradable y están asociados a condiciones de alto tiempo de retención celular y bajo nivel de oxígeno. Dado que sólo pueden usar el oxígeno como aceptor de electrones aparecen en procesos de fangos activos convencionales o en los reactores óxicos de los procesos con eliminación de nutrientes.

• Grupo C: microorganismos del tipo Cyanophyceae (tipo 021N, Leucothrix spp, Thiothrix spp), que crecen en zonas óxicas. Se encuentran asociados a la presencia de sustrato fácilmente biodegradable, SRT medio o alto, balance inadecuado de nutrientes y concentraciones apreciables de sulfuro. No pueden utilizar sustrato bajo condiciones anaerobias o anóxicas, pero llegan a generar un bulking severo en plantas convencionales.

• Grupo A: Microthrix parvicella , Nostocoida limicola, tipo 0092, y otros microorganismos capaces de utilizar sustrato tanto en condiciones óxicas como en condiciones anóxicas o anaerobias. Microthrix parvicella tiene asimismo la facultad de almacenar sustrato, por lo que es una de las filamentosas más comunes en plantas con eliminación de nutrientes.

• Grupo F: microorganismos formadores de espumas (Nocardia , Nostocoida limicola, Microthrix parvicella , tipos 0041 y 0675). Las bacterias filamentosas de este grupo son capaces de producir biosurfactantes, lo que produce una espuma viscosa y estable, de color marrón, al quedar atrapadas gotitas de aceite y burbujas de gas. Su principal causa es una edad del fango elevada, condiciones en las que Nocardia compite ventajosamente en condiciones de bajo F/M. Por lo tanto, la mejor manera de combatirla en plantas de tratamiento convencionales es disminuir el tiempo de retención celular. En plantas con eliminación de nutrientes, en las que esta medida puede perjudicar la eliminación de nutrientes, se pueden emplear técnicas como el uso de zonas de regeneración.

Como se puede observar, algunos microorganismos aparecen en más de un grupo, por lo que su detección aislada no permite identificar las causas que originan la aparición del bulking.

254 Apéndice A

A.3 MICROORGANISMOS FILAMENTOSOS MÁS COMUNES EN LAS EDAR

Los problemas de operación y calidad del efluente asociados al bulking filamentoso se producen en localizaciones geográficas de todo el mundo, si bien con algunas características propias de cada país. En la Tabla A.1 se muestran los microorganismos filamentosos que dominan en el fango de plantas de tratamiento de diferentes países cuando se produce bulking (CEIT, 1996).

Por otra parte, un estudio realizado en plantas de tratamiento de la república checa (Wanner y Grau, 1989) reveló que la formación de espumas causada por bacterias del grupo F se está convirtiendo en este país en el mayor problema de las plantas de tratamiento con fangos activos. Las espumas se presentan sobre todo en plantas con eliminación de nutrientes y, en consecuencia, con altos valores de SRT. Se tratan generalmente con métodos físicos, ya que los métodos de control biológico tienen poco éxito y son más lentos (2 a 3 veces el SRT). A pesar de ello, en un estudio realizado en Francia en pequeñas plantas de tratamiento que presentaban elevados valores de SVI y presencia de espumas, se redujo el valor del SVI en el 91% de los casos y la abundancia de espumas en el 75% de las plantas, gracias a la incorporación de selectores anaerobios (Pujol y Canler, 1994). Loiacono et al. (1992) describen asimismo la reducción en las espumas causadas por Nocardia en una EDAR puramente óxica tras la transformación de su primera etapa en un selector anaerobio.

Tabla A.1. Microorganismos filamentosos dominantes en el fango de las EDAR con

presencia de bulking en distintos países

Alemania Holanda EEUU Sudáfrica

1 Tipo 0092 M. parvicella Nocardia sp Tipo 0092

2 M. parvicella Tipo 021N Tipo 1701 Tipo 0675

3 Tipo 0041 H. hydrossis Tipo 021N Tipo 0041

4 S. natans Tipo 0092 Tipo 0041 M. parvicella

5 Nocardia sp Tipo 1701 Thiothrix sp Tipo 0914

Prevención del bulking filamentoso y de la formación de espumas 255

A.4 MÉTODOS DE CONTROL DEL BULKING FILAMENTOSO Y DE LAS ESPUMAS

Los métodos de control del bulking filamentoso se dividen en dos grandes grupos, los métodos selectivos y los métodos no-selectivos (Wanner, 1994a).

A.4.1 MÉTODOS SELECTIVOS DE CONTROL DEL BULKING FILAMENTOSO

Los métodos selectivos son aquellos métodos biológicos dirigidos a obtener una composición adecuada de la biocenosis del fango activo en base a las diferencias cinéticas y metabólicas entre organismos filamentosos y floculantes. Son, por lo tanto, métodos preventivos del bulking filamentoso, que corrigen las condiciones de operación de la EDAR en base al conocimiento de las causas de la aparición del bulking.

Los métodos de selección biológica se basan en limitar el acceso de los microorganismos filamentosos al sustrato y fuentes de materia orgánica.

A.4.1.1 Selección cinética

La cinética de crecimiento de los microorganismos en medios con un único sustrato se corresponde con una cinética de tipo Monod (1949). La constante de semisaturación de este tipo de cinética refleja la afinidad de un microorganismo concreto a un sustrato, nutriente, etc., de modo que cuanto menor es el valor de la constante de semisaturación mayor es la afinidad que muestra la bacteria hacia el sustrato.

La selección cinética se basa en la dependencia de la tasa de crecimiento que presentan distintos microorganismos en un cultivo mixto respecto a las condiciones de operación. Su objetivo es adecuar la operación de la EDAR de modo que se favorezca el crecimiento de los microorganismos floculantes.

Los principales factores que determinan el tipo de microorganismo, floculantes o filamentosos, cuyo crecimiento se ve favorecido son los siguientes (Wanner, 1994b):

256 Apéndice A

• Composición del agua residual: las bacterias filamentosas tienen un mayor acceso a la materia orgánica fácilmente biodegradable, mientras que las floculantes acceden con mayor facilidad a los productos de la hidrólisis.

• Edad del fango: los microorganismos filamentosos presentan, en general, una lenta cinética y, por lo tanto, se ven favorecidos por valores altos de SRT.

• Concentración de sustrato en el reactor: se presentan dos casos:

En el primero, conocido como crecimiento equilibrado, el sustrato es el único factor limitante del crecimiento, por lo que la eliminación del sustrato se produce de forma paralela al crecimiento bacteriano. En este caso, los microorganismos filamentosos presentan, en general, una mayor afinidad por el sustrato en condiciones de baja concentración de sustrato, mientras que las floculantes presentan una mayor afinidad a altas concentraciones de sustrato.

Cuando la concentración de sustrato es elevada se produce una eliminación rápida del mismo con bajos consumos de oxígeno, lo que se conoce como crecimiento no-equilibrado. Grau et al. (1982) suponen que parte del sustrato es almacenado por el microorganismo en lugar de ser empleado para el crecimiento bacteriano. Las bacterias floculantes presentan una mayor capacidad de almacenamiento de sustrato, especialmente tras ser sometidas a un periodo de inanición que regenera su capacidad de almacenamiento. La materia orgánica almacenada de esta forma favorece su supervivencia posterior en condiciones de baja concentración de sustrato.

• Nivel de oxígeno disuelto: algunas bacterias filamentosas presentan una alta afinidad por el oxígeno con niveles de oxígeno bajos.

• Concentración de nutrientes: la falta de nutrientes puede dar lugar a la aparición de bulking viscoso y filamentoso (Grau, 1991).

• pH y temperatura: en condiciones de pH bajo pueden aparecer hongos, mientras que las variaciones de temperatura influyen en el tipo de bacteria filamentosa dominante en el fango y las espumas.

Prevención del bulking filamentoso y de la formación de espumas 257

Las diferentes cinéticas de crecimiento de las bacterias filamentosas y floculantes dan lugar a los siguientes métodos de selección cinética:

• Disminución de la edad del fango: esta estrategia debe aplicarse con precaución en plantas con nitrificación, debido a la lenta cinética de las bacterias nitrificantes (Rothman, 1998).

• Compartimentación del reactor y sistemas de flujo pistón: la presencia de un gradiente de sustrato favorece un crecimiento no-equilibrado con acumulación de sustrato y mayores concentraciones en la cabecera de la EDAR, lo que beneficia el crecimiento de las bacterias floculantes (Wanner y Grau, 1988), aunque no impide totalmente el de algunas bacterias filamentosas (Mamais et al., 1998).

• Zonas selectoras. son pequeños reactores en los que el fango activo (generalmente proveniente de la recirculación de fangos) entra en contacto con el influente, estableciéndose una zona de alta concentración de sustrato fácilmente biodegradable y corto tiempo de residencia. Pueden ser reactores óxicos (Nikolavcic y Svardal, 1999) o anóxicos (Wanner y Grau, 1987).

• Zonas de regeneración: la exposición de la biomasa a un periodo suficiente de inanición elimina las bacterias filamentosas con alta energía de mantenimiento y regenera la capacidad de almacenamiento de las bacterias floculantes (Kos et al., 1992). Microthrix parvicella es capaz asimismo de almacenar sustrato, por lo que es uno de los microorganismos filamentosos más habituales.

• Mantenimiento de valores adecuados del nivel de oxígeno y pH.

A.4.1.2 Selección metabólica

La base de este método es la incapacidad de algunas bacterias filamentosas para obtener energía en más de un proceso metabólico. Así, las bacterias cuyo crecimiento se produce únicamente en condiciones óxicas pueden ser eliminadas mediante zonas anóxicas y/o anaerobias (Wanner et al., 1987).

A diferencia de la selección cinética, la selección metabólica no favorece el crecimiento de floculantes, sino que elimina las bacterias filamentosas. Sin embargo, sólo actúa frente a aquéllas pertenecientes a los grupos C y S.

258 Apéndice A

A.4.2 MÉTODOS NO-SELECTIVOS DE CONTROL DEL BULKING FILAMENTOSO

Los métodos no-selectivos tratan de mitigar los efectos del bulking filamentoso. Su efecto es temporal ya que no eliminan las causas del crecimiento excesivo de bacterias filamentosas, por lo que su uso está recomendado principalmente en casos de aparición súbita o esporádica del bulking a causa de variaciones en el agua residual influente o en aquellos en los que esté en riesgo la calidad del efluente.

Los principales métodos no-selectivos de control de la proliferación de microorganismos filamentosos son los siguientes:

• Algunos métodos no-selectivos aprovechan la mayor exposición de las bacterias filamentosas ante la presencia de tóxicos (como cloro, peróxido de hidrógeno u ozono) para eliminarlas de la biocenosis del fango.

• Adición de polímeros para mejorar la cohesión de los flóculos (Shao et al., 1997).

• Adición de coagulantes o fango primario a fin de aumentar el peso de los flóculos.

• En la actualidad, se estudia el uso de preparados enzimáticos y microbiológicos, como algunas especies de ciliados (CEIT, 1996), que son predadores de las bacterias filamentosas.

• Cuando la altura del manto del decantador secundario es excesiva se puede reducir disminuyendo la edad del fango o aumentando el caudal de recirculación de fangos. Ambos métodos deben ser utilizados con precaución, debido a los efectos secundarios que ejercen sobre la operación de la EDAR.

A.4.2.1 Control de espumas filamentosas

Las soluciones utilizadas habitualmente en la eliminación de espumas son de tipo no-selectivo, debido a que suelen estar causadas por microorganismos filamentosos cuyas capacidades fisiológicas son aún poco conocidas y son, por tanto, los más problemáticos (Andreasen y Nielsen, 1998). Los métodos empleados con mayor frecuencia son los siguientes:

Prevención del bulking filamentoso y de la formación de espumas 259

• Desestabilización de las espumas mediante su dilución con pulverizadores de agua situados en el decantador secundario a fin de reducir la pérdida de sólidos por el efluente.

• Eliminación física de la espuma mediante trampas.

• Cloración.

• Adición de agentes químicos y antiespumantes.

Estos métodos son combinados en ocasiones con medidas de selección cinética para eliminar espumas producidas por Nocardia, como cambios en la edad del fango y uso de zonas de contacto o selectores anóxicos, que pueden entorpecer asimismo el crecimiento de Microthrix parvicella.

260 Apéndice A

APÉNDICE A. PREVENCIÓN DEL BULKING FILAMENTOSO Y DE LA

FORMACIÓN DE ESPUMAS ............................................................................................249

A.1 INTRODUCCIÓN........................................................................................................250

A.2 IDENTIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS FILAMENTOSOS.........................252

A.3 MICROORGANISMOS FILAMENTOSOS MÁS COMUNES EN LAS EDAR..............254

A.4 MÉTODOS DE CONTROL DEL BULKING FILAMENTOSO Y DE LAS ESPUMAS.....255