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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