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La Bioaumentación
Ayuda a Sistemas de Desecho de Aguas
A medida que las restricciones ambientales se hacen mas estrictas, muchos operadores de
plantas de desechos industriales enfrentan niveles de cumplimiento que complicarán
seriamente el funcionamiento de sus plantas. La bioaumentación puede ser la solución
más viable hasta encontrar una solución final
Por Michael H. Foster, BS y
Rob Whiteman, PhD
El uso de microorganismos específicos para realizar transformaciones químicas ha sido
aplicado en las industrias cervecera, farmacéutica y lechera. Los microorganismos
también son componentes críticos en el tratamiento de aguas desecho¹ municipales e
industriales.
En el tratamiento de aguas residuales, los microorganismos (principalmente bacterias)
utilizan la materia orgánica soluble en el flujo residual como una fuente de nutrientes.
Las bacterias consumen los compuestos orgánicos y los convierten en dióxido de carbono,
agua y energía para producir nuevas células. Finalmente los agentes contaminantes son
convertidos en biomasa insoluble, la cual puede ser removido mecánicamente del flujo de
residuos y eliminado.
Las plantas de tratamiento de aguas residuales son de muchos tipos y configuraciones, sin
embargo esta discusión se centrará en el tratamiento anaerobio para sistemas
industriales.
Dos de las categorías más comunes de los sistemas de tratamiento de aguas aeróbicas
encontradas en plantas industriales son los sistemas de lagunas aireadas y el sistema de
lodo residual activado.
En los sistemas aeróbicos, las bacterias aerobias utilizan oxígeno para la degradación
de los compuestos orgánicos. Para que el sistema funcione, se deben controlar algunos
parámetros. Entre estos parámetros, los más críticos son los niveles de oxígeno
disuelto y nutrientes (amoniaco y fósforo) y el pH. Las estrategias de control
clásicas se han concentrado en el monitoreo y control de los parámetros del sistema con
poca o ninguna atención a los mismos microorganismos.
Las Bacterias
Las bacteria tienen medidas típicas entre 1-2 um de ancho y entre 2-20 um de largo.
Debido a su tamaño, forma y morfología tan pequeña, solo pueden ser examinados
utilizando un microscopio de alta resolución (x1000) además de técnicas de tintura. La
técnica de teñido de Gram es el criterio básico utilizado para clasificar
los grupos de bacterias ya sea como gram positivas o negativas, lo cual indica una
variación fundamental de la estructura de la pared celular. Las bacterias son también
clasificadas utilizando otros criterios, tales como:
* Utilización de oxígeno al degradar materia orgánica (si utilizan oxígeno se denomina
aeróbicos, si metabolizan con o sin oxígeno, facultativos o aquellas que no utilizan
oxígeno, anaeróbicas);
* Utilización de fuentes de carbono (orgánico - heterotróficas; dióxido de carbono -
autotróficas); y
* Crecimiento óptimo a diferentes temperaturas ² (termófilas - 55-75º C; mesófilas -
30-45º C; sicróficas: obligadas - 15-18º C y facultativas - 25-30º C).
La mayoría de los sistemas aerobios de tratamiento de aguas residuales operan en
temperaturas de entre 10-40º C y por lo tanto contienen principalmente
bacterias mesófilas. Estas incluyen tanto los tipo gram positivos como los bacilos o los
gram negativos como las seudomonas.
Además, otros microorganismos interactúan para transformar la materia orgánica en
biomasa nueva, dióxido de carbono y agua. Colectivamente, a estos microorganismos se les
denomina biomasa.
La biomasa es la "fuerza de trabajo" de un sistema de tratamiento de aguas. En
un estado dinámico de flujo, diferentes microbios mueren mientras que otros se
desarrollan y se convierten en dominantes. Bajo condiciones adversas como un choque
tóxico, ciertas poblaciones de bacterias pueden verse reducidas o eliminadas causando una
calidad de efluente pobre. Ejemplo de este choque tóxico puede ser derrames de
"licor negro" en las fábricas de papel o una alteración de proceso en una
planta química que envía altos niveles de terpenos a la planta de tratamiento.
Históricamente, bajo tales condiciones, las plantas de tratamientos de aguas residuales
se han recuperado de manera lenta. Los permisos del Sistema de Eliminación de Descargas
Contaminantes Nacionales de Estados Unidos (NPDES por sus siglas en inglés) han
sido frecuentemente violados o el proceso de manufactura detenido para evitar
repercusiones legales de violaciones a permisos de la NPDES.
La industria de los aditivos biológicos comenzó a principios de los años 60 para
solucionar los problemas de recuperación de biomasa lentos y para compensar las perdidas
de la población bacteriana. La aplicación de esta tecnología se denomina
bioaumentación.
Definición de los Términos
Con frecuencia los términos de bioremediación y bioaumentación se utilizan de forma
intercambiable. La bioremediación se define aquí como la utilización de microorganismos
seleccionados para lograr una limpieza biológica de un área contaminada específica,
tales como suelos o aguas; la bioaumentación se define como la aplicación de
microorganismos seleccionados para mejorar las poblaciones microbianas de una instalación
de tratamiento de aguas residuales para el mejoramiento de la calidad del agua o para
disminuir los costos de operación. En otras palabras, la bioremediación trata con un
área definida o proyecto, mientras que la bioaumentación trabaja para el mejoramiento de
un proceso continuo.
La bioaumentación ha sido puesta en práctica desde los inicios de la década de los
sesenta. Debido al mal manejo de aditivos frecuente o a la pobre documentación de
resultados, esta tecnología ha sido considerada como poco científica.
Una creencia prevalente es que, a través del tiempo, los microbios adecuados repoblaran
el sistema y se aclimatarán al influente. Este planteamiento asume que la población
nativa introducida por rutas tales como los sólidos llevados por le viento, el agua
lluvia y el flujo de desechos vegetales influentes, contendrán siempre los organismos
más adecuados. En realidad, aunque una población natural puede desarrollarse hacia una
población aceptable, puede haber limitaciones de desempeño que solo pueden superarse a
través de la introducción de cepas superiores de microorganismos.
En una cuenca de aireación de una planta de tratamiento de desechos industrial, uno puede
esperar encontrar numerosas especies o cepas de bacterias. Esta diversidad bacteriana, es
necesaria ya que diferentes tipos de bacterias degradan diferentes tipos de compuestos de
manera más efectiva y eficiente.
Estas bacterias generalmente son adecuadas para manejar los contaminantes en el influente
de desecho y se aclimatarán con el tiempo, para suministrar los resultados deseados,
asumiendo que se aproxime a un estado de equilibrio operativo. Desafortunadamente, pocas
plantas de tratamiento alcanzan este estado de equilibrio. Las características del
influente pueden cambiar drásticamente de una semana a otra u inclusive de día a día.
Estas variaciones pueden deberse a programas de procesamiento de lotes, derrames químicos
en la planta productora o equipo de planta incapaz. Muchas poblaciones biológicas de las
plantas de tratamiento nunca consiguen alcanzar poblaciones óptimas o diversidad de
especies.
Sin la bioaumentación, la población nativa debe ser de numerosos tipos de organismos.
Algunos de estos organismos son más eficientes y efectivos que otros para degradar los
diferentes compuestos y producir una biomasa asentable. En una población simple con tres
tipos de organismos: A (organismos deseados), B (otros organismos nativos) y C (organismos
bioaumentados seleccionados), el objetivo del programa de bioaumentación consiste en
aumentar el crecimiento de la población A, establecer la selección de organismos de la
población C y minimizar la población B.
Existe el interrogante de porqué los productos de bioaumentación deben alimentarse
continuamente luego de la dosis inicial del producto. Debido a la alteración del sistema
y cambios de composición de influente, se requiere una dosis para el mantener la
diversidad de la población.
El monitoreo adecuado del sistema utilizando procesos de control estadístico combinado
con técnicas de análisis microbiológico, suministrarán la información que el asesor
de la bioaumentación necesita para mantener la población deseada. Al utilizar técnicas
microscópicas y técnicas avanzadas de cultivo en placa, el asesor puede correlacionar
las características de las poblaciones bacterianas con el desempeño de la planta de
tratamiento para un sistema particular de tratamiento de desechos. Ya que todo sistema es
único la población óptima variará de planta en planta.
Productos
Los productos típicos de bioaumentación consisten en mezclas de varias cepas de
microorganismos, usualmente bacterias u hongos. Los organismos se aíslan de la naturaleza
y no se alteran genéticamente de ninguna manera. Son seleccionados en base a ratas de
reproducción aceleradas y a su habilidad de realizar ciertas funciones, tales como buenas
habilidades de formación de flóculos para realzar el asentamiento o la habilidad de
degradar compuestos específicos. Los productos se venden en variedad de formas, siendo
las más comunes en organismos secos sobre un portador de salvado o en líquidos.
La selección de productos para una aplicación en particular depende de una combinación
de estudios de tratabilidad y experiencias de campo en aplicaciones similares. Las
muestras del influente de las aguas de desecho y la biomasa de las cuencas de aireación
se envían para una identificación de producto y trabajo de tratabilidad.
Generalmente se requiere de una semana para terminar los trabajos de laboratorio. En
algunos casos, donde la planta está en peligro de cometer violaciones, la implementación
del programa debe empezar antes de recibir los resultados del laboratorio. En estos casos,
la experiencia de aplicaciones similares es crítica para determinar el curso de las
acciones iniciales. El trabajo de laboratorio se hará de forma simultánea y luego se
utilizará para realizar ajustes al programa, si es necesario.
Más que solo los productos
Una bioaumentación exitosa requiere de un manejo del sistema integral. Si la población
microbiana puede ser vista como una fuerza laboral, entonces el asesor o administrador del
programa es responsable de mantener esta fuerza laboral productiva.
El administrador del sistema debe suministrar un ambiente de trabajo aceptable al
controlar los parámetros claves del sistema, tales como el pH, la temperatura y los
niveles de oxígeno. El debe compensarlos con nutrientes para asegurar una buen
crecimiento y una población sana. Debe saber cuando despedir trabajadores al desechar
elementos para mantener la población joven y vital. Finalmente, el administrador debe
saber cuando contratar nuevos trabajadores y suministrar nuevas habilidades no existentes
en su fuerza laboral. La bioaumentación es un mecanismo para suministrar estos
trabajadores habilidosos.
Una parte crítica del éxito de un programa de bioaumentación es una aplicación
adecuada. Como cada situación es única, es esencial que los productos sean
apropiadamente aplicados. Los programas de bioaumentación deben ser implementados luego
de estudiar todo el sistema, evaluando la mejor solución al problema y documentando el
impacto del programa. Simplemente con vaciar un producto en un influente no es
bioaumentación.
El propósito de la bioaumentación es facilitar un cambio gradual en la población
microbiana, no el de reemplazar la biomasa existente. El cambio de la población se debe
alcanzar de una manera planeada y controlada para mantener la integridad del ecosistema
microbiano. La sobrealimentación de microorganismos seleccionados puede resultar en una
biomasa no mejor equipada para manejar la amplia gama de compuestos en el influente que la
población original.
Comprobando los Resultados
La mayor dificultad en conseguir la aceptación de la bioaumentación como una tecnología
válida es probando la causa y efecto de la adición de organismos específicos. La
ciencia clásica instruiría al cliente a realizar un experimento controlado en su planta
al mismo tiempo que el programa de bioaumentación. En la realidad, esto es pocas veces
posible ya que solo unas pocas plantas de desechos poseen sistemas idénticos lado a lado
separados que permitan una prueba de enfrentamiento rigurosa. Segundo, la bioaumentación
es frecuentemente la última oportunidad para salvar un sistema del cerramiento enviando
la planta hacia una violación segura. Muchas veces, además de la bioaumentación se
cambian otros parámetros del sistema, introduciendo nuevas variables en la ecuación.
Para documentar de manera eficiente el impacto de un programa de bioaumentación, los
datos mensuales de la planta, anteriores a la implantación del programa debe ser
comparados a los datos luego de la implementación del programa. Para que una prueba de
bioaumentación sea significativa, la prueba debe ser realizada entre tres y cinco veces
del tiempo de tratamiento en un sistema de laguna o de cuatro a seis veces el tiempo de
maduración (tiempo de retención en celda) de un sistema de lodo sedimentario activado.
En un caso de un ejemplo del impacto de una bioaumentación en plantas de tratamiento de
aguas residuales en fabricas papeleras, una de las plantas se enfrentaba a violaciones por
BODs en su efluente. La rebaja de los BODs luego de implementar un programa de
bioaumentación fue excepcional. De significación estadística es el hecho de que todas
las variables operativas tales como el BOD entrante y del flujo fueron constantes antes y
después de la aplicación del programa de bioaumentación.
En la segunda planta papelera había problemas de BODs y desviaciones a los límites de
Sólidos Totales Suspendidos (TSS por sus siglas en ingles). Para mantener la conformidad
a las normas sobre TSS, se agregaron grandes cantidades de polímeros a los clarificadores
finales. El programa de bioaumentación redujo ostensiblemente el uso de polímeros en los
clarificadores. El costo del programa de bioaumentación resultó ser entre la mitad a la
sexta parte del costo total mensual del uso de polímeros en los nueve meses precedentes a
la implementación del programa.
Estos dos casos proveen ejemplos excelentes del tipo de documentación de causa y efecto
que puede demostrarse con la recolección adecuada y análisis de datos. En algunos casos,
el programa puede ser detenido para confirmar la eficiencia del tratamiento. Sin embargo,
una vez el programa ha sido resuelto, muchos usuarios son renuentes a quitar el programa y
arriesgarse a un deterioro del sistema o a violaciones a los permisos.
Varias áreas en donde la bioaumentación ha probado ser beneficiosa son discutidas abajo.
REMOCIÓN MEJORADA DEL BOD - Muchos sistemas, particularmente los
programas de lagunas aireadas son requeridos a mostrar resultados de los años noventas
con tecnologías de los 60s y 70s. Costaría millones en capital para actualizar estos
sistemas. Al aumentar las cantidades y diversidad microbiológica por medio de la
bioaumentación se pueden conseguir los resultados deseados. En la industria papelera y de
pulpa en el sureste de los Estados Unidos se han documentado mejoramientos de hasta un 30%
en los niveles de BODs de los efluentes.
MEJORA EL ASENTAMIENTO DE LOS SÓLIDOS - Un importante paso en el
tratamiento de desechos biológicos es la remoción de sólidos, usualmente asentando en
una laguna o en clarificador. Las bacterias forman un biopolímero natural que ayuda al
asentamiento. Los choques tóxicos y los cambios al sistema pueden resultar en una
población bacteriana con características biopolímeras y asentamiento pobres. La
metodología de agregar polímeros orgánicos o coagulantes inorgánicos como ayudas al
asentamiento puede ser efectivo pero costoso. Al inocular al sistema organismos que se
sabe, son resistentes a la toxicidad y excelentes formadores de flóculos, la demanda de
polímeros puede ser reducida en gran medida o hasta eliminada.
Generalmente el costo de una bioaumentación es significativamente más barato que un
tratamiento con polímeros. Además, provee una biomasa global más sana.
DEGRADACIÓN PREFERENCIAL DE COMPUESTOS ESPECÍFICOS - Al adicionar
organismos seleccionados, se pueden lograr niveles bajos de ciertos compuestos que no
seria posible con poblaciones nativas. Los compuestos tales como los fenoles, aromáticos
clorinados o hidrocarburos aromáticos son solo algunos de los compuestos que pueden ser
reducidos con la bioaumentación.
NITRIFICACIÓN MEJORADA - Muchas plantas de desechos industriales tienen
dificultades para lograr la nitrificación por limitaciones de diseño o choques tóxicos.
Al agregar de manera regular, bacterias nitrificantes se puede mantener la población
adecuada para la remoción de amoniaco.
OTRAS ÁREAS - Otras áreas en donde la bioaumentación ofrece beneficios
incluyen la reducción de olores, remoción de aceite y grasa, reinicio rápido de
sistemas sujetos a choques tóxicos o mayor tolerancia a los mismos. Adicionalmente, la
investigación continua para explorar nuevas áreas de aplicación para esta tecnología
en desarrollo.
Sumario
A medida que las normas ambientales se vuelven más estrictas muchos operadores
industriales se enfrentarán a niveles de acatamiento que retarán seriamente las
capacidades de sus plantas de tratamiento de aguas residuales existentes. En algunos
casos, la bioaumentación será muy económica, una solución a corto o mediano
plazo con el fin de mantenerlos dentro de los límites permisibles hasta que se puedan
realizar cambios en los sistemas. En otros casos, la bioaumentación será una solución a
largo plazo ya que la falta de fondos para la implementación de soluciones mecánicas es
evidente.
El concepto de administración efectiva de una población microbiana de una cuenca de
aireación es una idea nueva. Requiere mucho más que la introducción de nuevos
organismos a un sistema. La administración total del sistema requiere un conocimiento
profundo de la operación y diseño de una planta de tratamiento de desechos, además de
conocimientos de microbiología ambiental. Al combinar estas dos disciplinas de
manera efectiva, el administrador de un sistema de desechos residuales puede suministrar
resultados óptimos para un sistema existente.
¹ Grady, CPL y Lim, HC, Biological Wastewater Treatment, Theory
and Application, página 3.
² Stainer, RY; Doudoroff, M. y Adelberg, EA. The Microbial World,
3ra edición., Página 316.
Palermo, DR y Holzer, KA, Conferencia Ambiental TAPPI, 1992 Procedimientos, Vol.3, Página 881.
Whiteman, GR, Conferencia Ambiental TAPPI, 1992. |
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