Efecto de rotíferos lecánidos en el tamaño de los flóculos de un sistema de fangos activos

Transcripción

1 Efecto de rotíferos lecánidos en el tamaño de los flóculos de un sistema de fangos activos Jaume Puigagut (1,2) (*), Humbert Salvadó (2), Xavier Tarrats (1) and Joan García (1), (1) Dpt. Enginyeria Hidràulica, Marítima i Ambiental. Universitat Politècnica de Catalunya. Jordi Girona, Barcelona. telephone: ; Fax: (2) Dpt. Biologia Animal. Universitat de Barcelona. Avda. Diagonal Barcelona. (*)Autor responsable. jpuigagut@hotmail.com 1.-Resumen Una planta piloto de fangos activos fue objeto de estudio (a nivel físico-químico y biológico) durante cinco meses para determinar el efecto de los rotíferos lecánidos sobre el tamaño de los floculos del reactor biológico y sus posibles consecuencias sobre el proceso de depuración. Los resultados obtenidos indican que poblaciones superiores a 400 individuos.ml-1 de rotíferos lecánidos reducen un 50% el área promedio de los floculos del reactor biológico. Por otra parte, el efecto reductor del área de los floculos llevado a cabo por los rotíferos lecánidos tuvo una repercusión importante en la eliminación del nitrógeno. Específicamente, cuando los rotífieros lecánidos tenían una abundancia promedio inferior a los 400 individuos.ml-1 las concentraciones de nitratos y amonio en el efluente fueron ± mg NO 3 -N.L -1 y 1.5 ±2.1mg NH 4 -N.L -1, respectivamente. Por otra parte, cuando la abundancia de rotíferos sobrepasó los 400 individuos.ml -1 las concentraciones de nitratos y amonio en el efluente subieron significativamente hasta los 22 ±12.5 mg NO 3 -N.L -1 mg y 6.7 ±6.2mg NH 4 -N.L -1, respectivamente. Palabras clave: microfauna, metazoos, tamaño de floculo, eliminación de nitrógeno. 2.-Introducción En términos generales se puede decir que las poblaciones de microfauna son un elemento indispensable para que un proceso de depuración biológico funcione correctamente. La contribución de los protozoos y pequeños metazoos a la calidad de un

2 efluente de un sistema biológico de aguas residuales ha estado ampliamente descrita (Curds, 1963; Ratsak, 2001) y se basa en la eliminación de materia en suspensión (bacterias) por parte de estos microoganismos debido a sus estrategias alimentarias (bacteriófagos). Por otra parte, el estudio de las poblaciones de microfauna (protozoos y pequeños metazoos) asociadas a cualquier sistema biológico de depuración de aguas residuales es también una herramienta que permite aumentar la información del estado de funcionamiento del proceso de depuración y, por tanto, mejora la capacidad de gestión de la planta depuradora. A este respecto hay multitud de estudios sobre la capacidad de bioindicación de las condiciones de operación en sistemas biológicos de depuración mediante el análisis de la microfauna (Madoni, 1994; Puigagut,, et al., 2005; Salvadó, et al., 2004; Nicolau, et al., 2001). Por otra parte, y aunque hay estudios recientes que sostienen que los rotíferos pueden variar tanto la distribución del tamaño de bacterias como de los floculos en sistemas de depuración biológicos, aún se está bastante lejos de caracterizar en términos cuantitativos hasta qué punto estos microorganismos contribuyen a la reducción del tamaño del floculo y, aún menos, que repercusión tiene ese efecto en el proceso de depuración. Por tanto, el objetivo principal de este estudio es determinar cuantitativamente la reducción del tamaño de floculo por parte de pequeños metazoos y analizar qué repercusiones tiene esa reducción de los floculos en el proceso de depuración. 3.-Material y métodos 3.1.-Planta piloto La planta piloto objeto de estudio consta de un reactor biológico de 9 L seguido de un decantador de 3.5L. Dicha planta fue operada a 5 días de tiempo medio de retención celular (TMRC) y a 27 horas de tiempo de retención hidráulico (TRH) en modo de alimentación continua Agua residual El agua residual utilizada durante todo el periodo de estudio fue una mezcla de agua residual urbana pre-tratada con un floculante comercial (Tanflog SG) y enriquecida con almidón como fuente de materia orgánica particulada. El enriquecimiento con materia orgánica particulada fue llevado a cabo a partir de unos estudios preliminares del grupo de investigación que sugerían que las poblaciones de metazoos se desarrollaban en mayor medida cuando la presencia de materia orgánica particulada aumentaba (estudios

3 no publicados). El floculante utilizado (Tanfloc SG) es un polímero basado en extractos vegetales modificados de Acacia melanoxylon desprovisto de sales metálicas y que tiene carácter catiónico y un bajo peso molecular. La cantidad de floculante administrada al agua residual fue 70 mg.l -1. El floculante fue administrado al agua residual mediante un Jar Test estandar. La metodología del Jar Test consistió en una reacción de mezcla rápida (195 rpm) del floculante con el agua residual durante 1 minuto seguida de una reacción de mezcla lenta (20 rpm) durante 15 minutos. Este proceso de floculación fue llevado a cabo cada 10 días (con agua residual fresca), y el volumen total de agua floculada (unos 90 litros por vez) se almacenaba en un congelador para reducir la variabilidad físico-química del agua urbana. Así mismo, cada día unos 9 litros de agua floculada eran extraídos del congelador y descongelados a temperatura ambiente para ser mezclados, posteriormente, con el almidón. La cantidad de almidón administrado al agua floculada (unos 290 mg.l -1 ) representaba la cantidad necesaria de almidón para conseguir una DQO total del agua residual afluente de unos 300 mg.l -1. Las características físico-químicas del agua residual utilizada así como las condiciones de operación de la planta piloto empleada están resumidas en la tabla Análisis físico-químico Durante todo el periodo de estudio la DQO total, los sólidos en suspensión totales (TSS), los sólidos en suspensión volátiles (SSV), el ph, la temperatura y el oxígeno disuelto fueron analizados diariamente. Además, la DQO soluble (filtrada con filtros de 0.2µm de diámetro de poro nominal), nitratos, nitritos y amonio fueron analizados dos veces por semana. Finalmente el índice volumétrico de fangos (IVF) fue analizado cada dos semanas. Todos estos parámetros físico-químicos fueron llevados a cabo inmediatamente después de la recolección de muestras y efectuados según APHA (2001) Análisis biológicos Las muestras susceptibles de análisis microbiológico fueron tomadas dos veces por semana. En dichas muestras los protozoos (ciliados y flagelados) y pequeños metazoos fueron enumerados mediante dos sub-muestras de 25µl cada una mediante microscopio ópticos de campo claro. Los protozoos ciliados fueron identificados in vivo según Foissner et al., (1991, 1992, 1994) y, en caso de ser necesario para un correcta identificación, los microorganismos fueron teñidos mediante la técnica de impregnación

4 argéntica descrita por Fernández-Galiano (1994). Los flagelados fueron clasificados según su tamaño en microflagelados (individuos menores de 25 µm) y macroflagelados (individuos mayores de 25µm). Finalmente, los metazoos fueron clasificados a nivel de familia según Koste (1978 a y b) Determinación del tamaño de floculo. Para determinar el tamaño y el área promedio de los flóculos en el reactor biológico de la planta piloto muestras del licor mezcla fueron extraídas diversas veces. De cada muestra extraída se contó el número y el área de, al menos, 100 floculos mediante gotas de 25 µl bajo microscopio óptico de campo claro. Afluente Reactor Efluente Agua floculada Mezcla con almidón DQO total (mg.l -1 ) 180±32 290± ±13.6 DQO total eficiencia, % ±5 DQO soluble (mg.l -1 ) ± ±18.1 DQO soluble eficiencia, % ±20 NH + 4 -N (mg.l -1 ) ± ±5.7 NH + 4 -N, eficiencia, % ±12 NO - 3 -N (mg.l -1 ) - nd ±10.8 NO - 2 -N (mg.l -1 ) - nd - 3.7±2.2 SST (mg.l -1 ) - 290± ±90 37±36 SSV (mg.l -1 ) - 280± ±70 35±21 ph ±0.1 - Temperatura min-max (ºC) Oxigeno (mg.l -1 ) TMRC (días) TRH (horas) Tabla 1. Parámetros físico-químicos y operacionales de la planta piloto.

5 4.-Resultados y discusión En términos generales la población de microfauna a lo largo de todo el periodo de estudio fue bastante rica en diversidad de todos los grupos de microfauna que suelen estar presentes un sistema de fangos activos para el tratamiento de aguas residuales (Tabla 2). Dentro de los protozoos ciliados hemos de destacar la especial importancia, en términos de abundancia, del grupo de los peritricos (Tabla 2) y, especialmente, la presencia del ciliado Vorticella convallaria-complex. Además, dentro del grupo de los metazos, hemos de añadir que los rotíferos lecánidos fueron los más abundantes (Tabla 2). Tabla 2. Abundancias promedio de la microfauna por grupos y especies a lo largo de todo el periodo experimental. Microorganismo Microfauna total (ind.ml -1 ) 1810±800 Metazoos (ind.ml -1 ) 445±360 Rotíferos Lecanidos 275±258 Rotíferos Filodínidos 63±47 Nematodos 27±24 Flagelados (ind.ml -1 ) 306±524 Macroflagelados 306±524 Ciliados (ind.ml -1 ) 935±896 Nadadores 116±140 Litonotus lamella 91±126 Reptantes 135±266 Aspidisca cicada 27±62 Acineria uncinata 76±235 Sésiles 584±640 Vorticella convallaria-complex 427±609 Opercularia assymetrica 139±138 Epystilis coronata nd Podophrya sp. 67±73 Por otra parte, y tal y como Luxmy et al., (2000) describe, microorganismos de gran tamaño relacionados con un sistema de depuración biológico, como los rotifieros, pueden llevar a cabo una reducción significativa del tamaño de flóculo. En nuestro

6 estudio, abundancias superiores a los 400 individuos.ml -1 en el reactor biológico conllevaron una reducción de hasta un 50% del área promedio de los flóculos (Figura 1) Área de floculo (mm 2 ) Lecanidae<400 individuos-ml -1 Lecanidae>400 individuos.ml Frecuencia acumulada Figura 1. Frecuencia acumulada del área del floculo en función de la abundancia de rotífieros lecánidos. Aunque abundancias de lecánidos superiores a los 400 individuos.ml -1 produjeron una reducción del tamaño del floculo bacteriano significativo, no se observaron diferencias significativas (p>0.05) en la capacidad de sedimentación de fangos (Figura 2); aunque la tendencia fue que la sedimentación mejorara a medida que la abundancia de rotíferos lecánidos aumentaba. Esta tendencia a la disminución del SVI en presencia de mayores abundancias de rotíferos coincidiría con los estudios de Lapinski and Tunnacliffe (2003), aunque estudios de mayor envergadura sobre el tema serían necesarios para matizar y establecer un límite más concreto sobre el efecto de las poblaciones de lecánidos en la sedimentación de los fangos.

7 IVF (ml.g -1 ) < 400 ind/ml > 400 ind/ml Abundancia de rotíferos lecánidos Figura 2. Variación del índice volumétrico de fangos en función de la abundancia de rotífieros lecánidos. Nota: Las barras superiores e inferiores de los gráficos respresentan el percentil 10 y 90, respectivamente. El inicio y final de las cajas representan los percentiles 25 y 75, respectivamente. Las línias contínuas y discontinuas dentro de las cajas representan la mediana y el promedio respectivamente. Por otro lado, la abundancia de metazoos sí tubo un efecto significativo (p<0.05) sobre la capacidad de eliminación de nitrógeno. En este sentido, se vio que debido a una reducción del área de los floculos producida, a su vez, por un aumento de las poblaciones de rotíferos, empeoraba el rendimiento del sistema en términos de eliminación de nitrógeno (amonio y nitratos) (Figura 3a y 3b, respectivamente). Específicamente, la concentración efluente de nitratos y amonio fue ± mg NO 3 - N.L -1 y 1.5 ±2.1mg NH 4 -N.L -1 cuando la abundancia de rotíferos era inferior a 400 individuos.ml -1, mientras que la conentración efluente de nitratos y amonio fue 22 ±12.5 mg NO 3 -N.L -1 mg y 6.7 ±6.2mg NH 4 -N.L -1 cuando la abundancia de rotifieros era superior a 400 individuos.ml. De hecho, el tamaño de floculo en sistemas de fangos activos se ha descrito como uno de los parámetros más influyentes en la eliminación simultanea de amonio y nitratos (Pochanaand Keller, 1999). Por tanto, los autores asumen que el efecto de los rotiferos en cuanto a reducción del área del floculo se refiere, produce floculos con una menor area anóxica interna, limitando, de esta manera, la capacidad de eliminación de nitratos del sistema. Esta hipótesis es consistente con los

8 trabajos previos de Rensink and Rulkens (1997) y Lee and Welander (1996a, b) que describieron un incremento de las concentraciones de nitratos en la fase líquida de un reactor biológico como consecuencia de un aumento de la microfauna en general y, especialmente, de las abundancias de metazoos. Por otra parte, y aunque hay trabajos que no encuentran relación alguna entre un aumento de las poblaciones de microfauna y las concentraciones de amonio en el efluente del sistema, en nuestro estudio, las concentraciones promedio de amonio en el efluente aumentan más de 4 veces cuando las poblaciones de rotíferos lecánidos sobrepasan los 400 individuos.ml -1. Estos resultados estarían en consonancia con lo descrito por Lee and Welander (1994), quienes encontraron que los rotíferos son capaces de alimentarse de aglomeraciones de bacterias nitrificantes en procesos de biofilm aerobios. Así pués, según los autores de este trabajo, un incremento en las poblaciones de rotíferos lecánidos podria comprometer la eliminación biológica del nitrógeno debido a su habilidad de fraccionar o reducir el área de los floculos bacterianos y su posible especificidad por la depredación de bacterias nitrificantes. Ammonio-N (mg.l -1 ) 20 (a) <400 ind/ml >400 ind/ml

9 Nitratos-N (mg.l -1 ) 45 (b) < 400 ind/ml > 400 ind/ml Figura 3. Concentración de amonio (3a) y nitratos (3b) en el efluente de la planta en función de la abundancia de rotíferos lecánidos. 5.-Conclusiones Las poblaciones de rotíferos lecánidos pueden llegar a reducir el área promedio de los floculos bacterianos un 50%, especialmente cuando alcanzan abundancias superiores a los 400 individuos por mililitro. La reducción del área de los floculos por causa de un aumento de la abundancia de rotíferos lecándios conlleva un detrimento en la eliminación tanto de nitratos como amonio. 6.-Referencias bibliográficas APHA-AWWA-WPCF. (2001) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20th ed. American Public Health Association, Washington, DC. Curds, C. R., The flocculation of suspended matter by Paramecium caudatum. J. Gen. Microbiol. 33,

10 Fernández-Galiano, D (1994). Los protozoos en procesos de depuración de aguas dulces. Rev. Soc. Mex. Hist. Nat. 45, Foissner, W., H. Berger, Blatterer, H. Berger, H. & Kohmann, F. (1991) Taxonomische un ökologische revision der ciliaten des saprobiensysstems. Band I: Cyrtophorida, Oligotrichida, Hypotrichia, Colpodea. 467 pp. Informationsberichte des Bayerischen Landesamtes für Wasserwirtschaft. Munchen, Germany. Foissner, W., Berger, H.& Kohmann, F. (1992) Taxonomische un ökologische revision der ciliaten des saprobiensystems. Band II: Peritrichia, Heterotrichida, Odontostomatida. 502 pp. Informationsberichte des Bayrischen Landesamtes für Wasserwirtschaft. Munchen, Germany. Foissner, W., Berger, H. & Kohmann, F. (1994) Taxonomische und ökologische Revision der Ciliaten des Saprobiensystem. Band III. Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft. München. Koste, W. (1978a) Die Rädertiere Mitteleuropas. Band I. Gebrüder Borntraeger. Berlin. Koste, W. (1978b) Die Rädertiere Mitteleuropas. Band II. Gebrüder Borntraeger. Berlin. Lapinski, J., and Tunnacliffe, A. (2003). Reduction of suspended biomass in municipal wastewater using bdelloid rotifers. Water Res. 37(9), Lee, N. M., and Welander, T. (1996a). Use of protozoa and metazoa for decreasing sludge production in aerobic wastewater treatment. Biotechnol. Lett. 18 (4), Lee, N. M. and Welander, T. (1996b). Reducing sludge production in aerobic wastewater treatment through manipulation of the ecosystem. Water Res. 30 (8), Lee, N., and Welander, T. (1994). Influence of predators on nitrification in aerobic biofilm processes. Water Sci. Technol. 29 (7),

11 Luxmy, B.S., Nakajima, F., and Yamamoto, K. (2000). Predator grazing effect on bacterial size distribution and floc size variation in membrane-separation activated sludge. Water Sci. Technol. 42 (3-4), Madoni, Paolo (1994). A sludge biotic index (SBI) for the evaluation of the biological performance of activated sludge plants based on the microfauna analysis. Water Res. 28 (1), Nicolau, A., Dias, N., Mota, M., and Lima, N. (2001). Trends in the use of protozoa in the assessment of wastewater treatment. Res. Microbiol. 152 (7), Pochana, K., and Keller, J. (1999). Study of factors affecting simultaneous nitrification and denitrification (SND). Water Sci. Technol. 39 (6), Puigagut, J., Salvadó, H., and García, J. (2005). Short-term harmful effects of ammonia nitrogen on activated sludge microfauna. Water Res. 39, Ratsak, C. H. (2001). Effects of Nais elinguis on the performance of an activated sludge plant. Hydrobiologia, Rensink, J. H., and Rulkens, W. H. (1997). Using metazoa to reduce sludge production. Water Sci. Technol. 36 (11), Salvadó, H., Palomo, A., Mas, M., Puigagut, J., and Gracia, M.P. (2004). Dynamics of nematodes in a high organic loading rotating biological contactors. Water Res. 38,

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