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CONTROL DEL CRECIMIENTO FILAMENTOSO EN PLANTAS CON
INFLUENTES PROCEDENTES DE LA INDUSTRIA DEL PROCESADO
DE HARINAS Y FRITURAS
INTRODUCCIÓN
En el tratamiento de aguas residuales mediante fangos activados los factores
principales que intervienen en la formación del flóculo y su sedimentación son entre
otros: la edad del fango, la purga de fangos, la actividad de la fauna protozoaria (en
especial de los ciliados) y la toxicidad (presencia de metales pesados y compuestos
orgánicos). La floculación tiene lugar debido a la producción de una capa de
polisacáridos de aspecto gelatinoso que consigue que los microorganismos se
adhieran. Otros factores, tales como la superficie química y densidad del flóculo,
pueden tener una fuerte influencia en las propiedades de sedimentación (Eikelboom et
al., 1998). Además, la geometría del sistema y la forma en que el agua residual se
aporta al reactor condicionan las características de floculación del fango (Ramalho,
1996).
No todas las bacterias que se desarrollan en los fangos activados son
formadoras de flóculos ya que otros microorganismos como son los de tipo
filamentoso pueden desarrollarse causando problemas en el control del proceso y en
la calidad del agua tratada (Richard, 1991).
Entre los problemas que se pueden encontrar en el proceso de depuración de
aguas residuales por fangos activados destacan aquellos en los que el fango tiene una
sedimentación pobre ya que presenta poco peso y aspecto muy ligero (flóculo en
forma de punta de alfiler o pin-point floc) o esponjamiento (bulking). El fango de estas
características pasa por encima de los vertederos de separación y se escapa con el
efluente del decantador secundario o clarificador, lo que provoca que la concentración
de sustrato presente en el sistema sea insuficiente para mantener el crecimiento de
los microorganismos que contribuyen a la formación del flóculo. Estas condiciones
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provocan que los microorganismos se vean obligados a funcionar en régimen de
respiración endógena por lo que el efluente tendrán una Demanda Bioquímica de
Oxígeno (DBO) relativamente elevada, lo que no resulta deseable (Ramalho, 1996;
Pacheco et al., 2000).
Durante el proceso de respiración endógena se metaboliza un material
citoplasmático rico en proteínas y ácido ribonucleico (ARN) y el residuo producido está
constituido principalmente por cápsulas celulares muy ligeras que se resisten a la
sedimentación. Esta es la razón por la que las relaciones bajas de F/M
(alimento/microorganismos) provocan que el fango tenga unas características muy
pobres de decantación (flóculos dispersos) mientras que en relaciones de F/M
elevadas (por ejemplo superiores a 0,6 – 1,0 kg DBO5/kg SSTLM/d) predominan un tipo
de microorganismos de naturaleza filamentosa, provocando un fango hinchado, que
impiden la sedimentación al permanecer en suspensión casi continuamente (Ramalho,
1996).
Los microorganismos filamentosos no se desarrollan ni crecen en fangos
jóvenes. Cuando la edad del fango se incrementa los microorganismos filamentosos
cortos comienzan a desarrollarse en el interior del flóculo. Las bacterias formadoras
del flóculo floculan con los microorganismos filamentosos de diferentes longitudes que
proveen una resistencia a la acción cortante del medio y permite un incremento
significativo en el número de bacterias formadoras de flóculos, afectando a la
sedimentación. Las partículas floculadas incrementan su tamaño y cambian de la
forma esférica a irregular (Ramalho, 1996; Eikelboom et al., 1998).
El crecimiento de los filamentos depende en gran medida de las condiciones de
operación de la planta de tratamiento tales como: la concentración de oxígeno
disuelto (OD) baja, la relación F/M alta, la deficiencia de nutrientes (nitrógeno y
fósforo), el pH bajo, la temperatura, la carga orgánica baja, la DBO5 residual soluble, la
elevada concentración grasas y aceites del influente y los elevados tiempos de
retención celular (Jenkins et al., 1993).
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En sistemas de tratamiento de aguas residuales que presentan problemas
graves de desarrollo masivo de microorganismos filamentosos se emplean, como
método de control del crecimiento de los mismos, biocidas como el cloro. En función
de la gravedad del problema puede resultar un método costoso y peligroso para el
proceso ya que además de los microorganismos filamentosos elimina microorganismos
formadores de flóculo (Jenkins et al., 1993).
IDENTIFICACIÓN DE MICROORGANISMOS FILAMENTOSOS EN EL PROCESO
En función de la actividad industrial los microorganismos filamentosos que se
desarrollan varían según el sustrato disponible. En los efluentes del proceso industrial
del procesado de harinas de maíz, levaduras y frituras se identificaron los siguientes
morfotipos filamentosos: Tipo 1863, Tipo 021N, Tipo 0211, Nostocoida limicola II,
Thiothrix I y II, y el Tipo 0411. En el influente de la planta de tratamiento, además de
prevalecer los anteriores microorganismos, aparecen los morfotipos: Tipo 0092, Tipo
0701, Tipo 0041 y Gordona amarae. En la recirculación de los fangos no solamente se
identificaron a los microorganismos mencionados en el influente, sino que también a
Tipo 1701, Tipo 0914 y especialmente a Microthrix parvicella. Tras numerosos estudios
se concluye que el microorganismo filamentoso que afecta al proceso de fangos
activos, debido a su crecimiento excesivo, es M. parvicella generado en la etapa de
recirculación del proceso debido a variaciones estacionales y a condiciones de
operación de la planta de tratamiento.
Es necesario identificar la procedencia de los microorganismos filamentosos y
su correlación con las variables de operación del proceso de fangos activados a fin de
controlar la presencia y desarrollo de estos microorganismos y obtener una calidad de
agua adecuada.
La identificación de los filamentos y su análisis cualitativo se realizaron
mediante el examen microscópico de sus características morfológicas y reacciones de
tinción siguiendo los métodos detallados en el Manual de Jenkins et al. (1993).
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EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES DE OPERACIÓN Y DISEÑO DE LA PLANTA
Durante cuatro meses y en época invernal se realizaron determinaciones del
índice volumétrico del fango (IVF), la relación F/M, oxígeno disuelto (OD), tiempo de
retención hidráulico (TRH), tiempo de retención celular (TRC), pH (en la entrada al
tanque de aeración), sólidos en suspensión volátiles (SSV) y totales (SST), así como la
eficiencia del tratamiento con respecto a la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) y
Demanda Química de Oxígeno (DQO).
RESULTADOS DEL ESTUDIO
Los resultados de la identificación de los microorganismos filamentosos se
muestran en la Tabla 1 donde se puede apreciar durante los meses del estudio la
incidencia de los morfotipos Tipo 0211, Tipo 1863, Thiothrix II y N. limicola II en la
entrada a la planta de tratamiento y cuya presencia coincide con los microorganismos
filamentosos identificados en efluentes de las industrias analizadas, a excepción de N.
limicola II que no está presente en la industria de la panificación. Con respecto a la fase
de la recirculación de fangos activados, considerada como una operación de la planta
ya que se recircula un determinado porcentaje de SSV con el fin de mantener
constante la cantidad de microorganismos en el reactor aerobio, se encontró que el
microorganismo filamentoso dominante es Microthrix parvicella, además de
identificarse los morfotipos Tipo 1701, Tipo 0914 y Tipo 0092. Este último, de acuerdo
a estudios realizados por Richard (1991), se encuentra comúnmente asociado a M.
parvicella en el proceso de fangos activados.
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Tabla 1. Relación de microorganismos filamentosos encontrados en los diferentes
procesos.
Con respecto a las condiciones de operación y diseño de la planta de
tratamiento de aguas residuales industriales la Tabla 2 muestra los valores de los
parámetros determinados. En esta misma tabla se presenta la eficiencia de remoción
del proceso de acuerdo a la DQO y a la DBO5, siendo de entre 37-45% y de 80-87%
respectivamente.
Tabla 2. Variables de operación de la planta de tratamiento de aguas residuales
industriales y su eficiencia durante el período de estudio.
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Los anteriores parámetros se correlacionaron con la presencia de los
microorganismos filamentosos identificados en influente de la planta y en la
recirculación de los fangos apreciándose que los valores de F/M se encuentran dentro
del rango de 0,47 a 0,88 días-1
y los de IVF comprendidos entre 234 y 377, indicando la
presencia de esponjamiento provocado por los microorganismos filamentosos.
Ramalho (1996) indica como valores óptimos de la relación F/M los comprendidos
entre 0,3 a 0,6. De igual forma los valores típicos de IVF con características apropiadas
de sedimentación están comprendidos dentro del intervalo de 35 a 150.
Como se observa en la Tabla 2, las concentraciones de oxígeno disuelto (OD)
oscilan en un intervalo de 0,5 a 1,2 mg/l, lo cual también es determinante en el
crecimiento de microorganismos filamentosos. A este respecto los estudios de Scruggs
y Randall (1998) en reactores de flujo continuo a escala de laboratorio e industrial
sugieren que la concentración de oxígeno disuelto (OD) y la relación F/M son los
factores clave que afectan el crecimiento de varios tipos de filamentosos presentes en
un sistema de tratamiento de fangos activados de aguas residuales industriales.
En cuanto al tiempo de retención hidráulico (TRH) se aprecian valores que
superan las 8 horas que normalmente se emplean en los procesos típicos de fangos
activados, lo cual representa mayores requerimientos de aireación. Los datos del
tiempo de retención celular (<5 días) indican que los fangos son difíciles de sedimentar
por la presencia de microorganismos filamentos (Metcalf & Eddy, 1996).
La presencia de Microthrix parvicella, microorganismo identificado de manera
abundante en la etapa de recirculación, está asociado a una baja concentración de
oxígeno y un alto tiempo de retención celular, siendo además la relación F/M mucho
mayor que la recomendada por Ramalho.
La presencia abundante y frecuente de Microthrix parvicella en plantas de
fangos activados indica que el microorganismo tiene la habilidad suficiente de
consumir sustratos no degradables, como el ácido oleico, palmítico y triglicéridos, muy
frecuentes en los efluentes de industrias de frituras de maíz en lugar de sustratos
menos complejos como acético, etanol y glucosa, entre otros, y bajo condiciones
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aerobias o anaerobias (Andreasen y Nielsen, 1998; Mamais et al., 1998). Su excesivo
crecimiento está favorecido gracias a elevados tiempos de retención en los
clarificadores que permiten además la producción de ácidos grasos volátiles en la
recirculación de los fangos (degradación anaerobia). Este proceso se ve influenciado
también por la profundidad de los clarificadores (Hagland et al., 1998).
Tandoi et al. (1998) describe a Microthrix parvicella como un organismo
aeróbico, con capacidad de crecer a concentraciones bajas de oxígeno disuelto, de
crecimiento lento y que exhibe versatilidad nutricional, ya que emplea compuestos
simples y complejos como fuente de carbono, nitrógeno y fósforo. Además utiliza su
capacidad de reducir nitrato a nitrito como mecanismo de sobrevivencia en la zona
anóxica. En condiciones anaerobias (ausencia de oxígeno disuelto y de nitrato) utiliza
como estrategia la hidrólisis de gránulos de polifosfato que almacena dentro de la
célula (Dillner Westlund et al., 1998; Mamais et al., 1998).
Según Knoop y Kunst (1998) el crecimiento óptimo de Microthrix parvicella en
fangos activados se produce a temperaturas bajas (por debajo de 15 °C) y a cargas
bajas de DBO5 (< 0.1 Kg/Kg·d). Asimismo, Eikelboom (1998) y Rothman (1998),
observaron que dicho microorganismo muestra un patrón estacional con un máximo
en invierno y un mínimo durante verano.
Además, diversas investigaciones señalan a Microthrix parvicella como el
microorganismo principal responsable de los problemas de separación de sólidos, por
esponjamiento y formación de espumas en los sistemas de fangos activados, debido
principalmente a su naturaleza hidrofóbica (Andreasen y Nielsen, 1998; Knoop y Kunst,
1998; Mamais et al., 1998; Tandoi et al., 1998).
CONCLUSIONES
La presencia de microorganismos filamentosos en industrias específicas, como
producción de levadura, panificación y frituras de maíz, se puede atribuir a la
composición del agua residual por sus distintos tipos de manufactura que por lo
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general contienen sustratos metabolizables (glucosa, lactosa y maltosa) y altos
contenidos en grasas y aceites, lo que promueve el crecimiento de los
microorganismos filamentosos Tipo 1863, Tipo 021N, Tipo 0211 y Thiothrix II,
principalmente.
Los microorganismos filamentosos son afectados por las características de los
influentes y las condiciones de operación de la planta de tratamiento. De acuerdo a los
microorganismos filamentosos encontrados en la etapa de recirculación se concluye
que es el punto en el cual se genera Microthrix parvicella, microorganismo asociado a
una baja concentración de oxígeno y un alto tiempo de retención celular.
El desarrollo de M. parvicella en la etapa de recirculación, puede ser debido a
factores como baja DBO5, ya que el proceso la consume en un 80% en promedio,
dejando una concentración alta como DQO, que está indicado como sustrato de mayor
complejidad que puede metabolizar un microorganismo como M. parvicella. Asimismo,
la cantidad de oxígeno disuelto (0,5 a 1,2 mg/l) es una concentración baja que favorece
su crecimiento, considerando que en la etapa de recirculación que es inmediata a la
sedimentación, la concentración de oxígeno disuelto es nula.
Efectuando cambios en la etapa de recirculación (parámetros de control) se debe
eliminar el crecimiento de M. parvicella. Al reducir la recirculación no se alimenta al
microorganismo con el alimento rico en material difícil de degradar (alta carga de
material medido como DQO con respecto a una baja carga como DBO5).
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