Tlamati Sabiduría, Volumen 7 Número Especial 2 (2016)

Transcripción

1 Tlamati Sabiduría, Volumen 7 Número Especial 2 (2016) 4 Encuentro de Jóvenes Investigadores CONACYT Acapulco, Guerrero 21, 21 y 23 de septiembre 2016 Memorias Determinación de los parámetros cinéticos de las bacterias heterótrofas del modelo ASM1 para una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales en Chiapas por respirometría Jamin García Reyes (Becario) Universidad Autónoma de Guerrero Unidad Académica de Ciencias Ambientales Programa de Verano Delfín Jamin289@gmail.com Área en la que participa: VI Biotecnologías y Ciencias Agropecuarias Dra. Cristina Blanco González (Asesor) Docente-Investigador de la Universidad Politécnica de Chiapas criblago@gmail.com Resumen Con el avance de los procesos de tratamiento biológico del agua residual, se ha extendido el uso de modelos matemáticos, por ejemplo el ASM1, el cual permite describir la eliminación biológica de materia orgánica y nutrientes, el proyecto constituye en análisis respirométricos de la biomasa heterótrofa, para predecir mejor el comportamiento de las plantas depuradoras de aguas residuales. Se utilizó el modelo ASM1 para determinar el consumo de oxigeno por los microorganismos heterótrofos mediante respirometría, se graficó el consumo del mismo con respecto al tiempo e identifico la velocidad de consumo de oxígeno (OUR) endógeno y la OUR máxima a partir de las pendientes obtenidas de la gráfica. Posteriormente se graficaron las distintas OUR obtenidas hasta obtener la curva típica de crecimiento bacteriano y el valor de la constante de saturación de las bacterias heterótrofas. Palabras Clave: cinética de crecimiento, heterótrofas, tratamiento biológico, consumo de oxigeno endógeno.

2 Introducción 4 Encuentro de Jóvenes Investigadores CONACYT Acapulco, Guerrero 21, 22 y 23 de septiembre 2016 En los últimos años la utilización del agua potable, origina un deterioro de su calidad, asociado a las características físicas, químicas y biológicas. Con el crecimiento poblacional del estado de Chiapas, aumentan las descargas de aguas residuales, que sin previo tratamiento adecuado, son vertidas en corrientes y cuerpos de agua, ocasionando un grave problema ambiental. El tratamiento de las aguas residuales se puede llevar acabo de distintas maneras dependiendo de la configuración de los reactores que realizarán el proceso, existen procesos aerobios, anaerobios y anóxicos, en los cuales se incluyen procesos de eliminación de materia orgánica, nitrificación, desnitrificación y remoción del fosforo. La remoción de materia orgánica de manera aerobia, se lleva a cabo por el proceso de lodos activados. La materia orgánica es consumida y utilizada como fuente de carbono por los microorganismos, para la generación de nueva biomasa, durante el proceso se necesita la presencia de oxígeno para un mejor desarrollo de los microorganismos, como resultado de la reacción, se produce dióxido de carbono, agua, nueva biomasa y amonio. Un parámetro importante en la modelación de procesos biológicos y caracterización del agua residual es el rendimiento de la biomasa heterótrofa (YH), el cual se determina habitualmente por medio de análisis respirométricos. Una determinación inadecuada de este parámetro puede afectar notablemente la simulación de los procesos biológicos, dado que este parámetro da información de cuanta materia orgánica emplean las bacterias para el crecimiento. Dada la importancia del parámetro cinético de las bacterias heterótrofas, el proyecto constituye en determinar el consumo de oxigeno por los microorganismos mediante análisis respirométricos y así mejorar el proceso de lodos activados de las plantas depuradoras de aguas residuales. La respirometría se basa en la medida de la velocidad del consumo de oxígeno de las bacterias cuando degradan un sustrato orgánico, nitrógeno amoniacal o bien a ellas mismas (respiración endógena).

3 Tlamati Sabiduría Volumen 7 Número Especial 2 (2016) Materiales y Métodos Se utilizó el modelo ASM1 para determinar el consumo de oxigeno por los microorganismos heterótrofos mediante respirometría. Pre-tratamiento de las muestras La actividad experimental inicio con un muestreo puntual del agua residual influente y lodo biológico procedente del tratamiento secundario de una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales del Estado de Chiapas. La muestra de agua residual de entrada, se filtró para determinar la Demanda Biológica de Oxigeno (DBO) de 0 a 800 por duplicado y pre-filtro para utilizarse como sustrato a dosificar en el lodo biológico. En un contenedor se colocaron piedras difusoras conectadas a una bomba de aire, posteriormente se agregó 10 litros de lodo biológico para mantenerlo en aireación y así obtener condiciones endógenas en el sistema, se añadió 20 ml de solución Tiurea de 10,000 ppm al contenedor para inhibir el proceso de nitrificación llevado a cabo por las bacterias autótrofas. Respirometrías Se montó el equipo para las respirometrías, conectando un oxímetro WTW a la PC y verificando la transferencia de datos, así mismo el reactor VICHI de 500 ml se colocó en un baño recirculatorio a una temperatura constante de 20 C, se transfirió 400 ml de lodo biológico del contenedor al reactor manteniendo en agitación la biomasa mediante un imán agitador, posteriormente se introdujo el sensor de oxígeno para dar inició al registro de datos en la computadora, con un intervalo de tiempo de 5 segundos para cada registro. Una vez obtenidos 120 datos en la computadora de la concentración de oxígeno en el reactor, se dosificó 0.1 ml de agua residual pre-filtrada, y se continuo con el registro de los datos hasta obtener 230 datos nuevos. Se repitió el procedimiento en cada ensayo respirométrico, cambiando el lodo y aumentando el volumen del sustrato, para posteriormente graficar el consumo de oxigeno con respecto al tiempo e identificar la velocidad de consumo de oxígeno (OUR) endógeno y la OUR máxima a partir de las pendientes obtenidas de la gráfica. Así mismo se graficaron las distintas OUR obtenidas para cada volumen de sustrato añadido en cada una de las respirometrías hasta

4 4 Encuentro de Jóvenes Investigadores CONACYT Acapulco, Guerrero 21, 22 y 23 de septiembre 2016 obtener la curva típica de crecimiento bacteriano y el valor de la constante de saturación de las bacterias heterótrofas. Resultados La DBO obtenida del análisis del agua residual de influente fue de 650 mg/l, el dato se registró en el modelo matemático y así comenzar a registrar la OUR endógena y la OUR máxima de cada respirometría hasta obtener la curva típica de crecimiento bacteriano. Se realizaron 13 ensayos respirométricos con sustrato añadido de 0.1, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 55 obteniendo los resultados siguientes (Grafica 1). 8.5 Respirometria Sustrato añadido y = x R² = y = x R² = O2 O2 Lineal (O2) Lineal (O2) Grafica 1. Representa la OUR mínima ( mg OD/l d) y la OUR máxima ( mg OD/l d) del primer ensayo respirométrico con sustrato añadido de 0.1 ml, según el modelo matemático ASM1. En la gráfica 1, se puede observar que a partir de que se añade el sustrato a la muestra de lodo en condiciones endógenas, la velocidad de consumo de oxigeno de las bacterias heterótrofas aumenta. Los datos de cada respirometría con diferente sustrato añadido, se registraron para obtener la curva de crecimiento bacteriano (Grafica 2).

5 OUR (mg OD/ l d) Tlamati Sabiduría Volumen 7 Número Especial 2 (2016) Curva de crecimiento bacteriano heterótrofo K F = Send + Sad (mg DQO / l ) Grafica 2. Representa el crecimiento de los microorganismos heterótrofos de acuerdo a las OUR máxima y OUR mínima de las distintas respirometrías con diferente volumen de sustrato añadido, arrojando una constante de saturación (K F) de 9.33 al ejecutar el solver del modelo matemático. En la gráfica 2, se observa como a partir de la OUR de 400 (mg OD/ l d) los microorganismos heterótrofos llegan a su máximo nivel de crecimiento, a partir de este punto, el valor de OUR máxima comenzó a estabilizarse, a medida que el valor del sustrato aumentaba.

6 OUR (mg OD/ l d) 4 Encuentro de Jóvenes Investigadores CONACYT Acapulco, Guerrero 21, 22 y 23 de septiembre 2016 Curva de crecimiento bacteriano heterótrofo K F = Send + Sad (mg DQO / l ) Grafica 2. Así mismo se puede observar que a partir de la concentración de sustrato de 5ml, la OUR de 253 (mg OD/ l d) los microorganismos alcanzan más de la mitad de la OUR máxima. Discusión y conclusiones A partir de los resultados obtenidos de cada ensayo respirométrico, la PTAR mostro un buen comportamiento del sistema de tratamiento biológico. El incremento acelerado de la curva se produce principalmente, al aumentarse la concentración de alimento, ya que el agua residual fue pre-filtrada para obtener únicamente la parte soluble, debido a esto, los microorganismos utilizan menos tiempo en consumir el sustrato ya que no deben realizar el proceso de hidrólisis. En la gráfica 2, se puede observar que a una concentración de 5 ml de sustrato, la velocidad de consumo de oxigeno alcanza más de la mitad de la OUR máxima que pueden alcanzar los microorganismos heterótrofos. Al encontrarse condiciones óptimas de alimento, los microorganismos heterótrofos utilizan la mayor parte de la energía para llevar a cabo el proceso de crecimiento. En cambio en

7 Tlamati Sabiduría Volumen 7 Número Especial 2 (2016) condiciones de limitación de alimento, una parte importante de la DQO se emplea para la producción de energía en el mantenimiento de las células y una mínima para la producción de energía destinada al crecimiento. De acuerdo a los resultados obtenidos en los ensayos respirométricos, el valor de KF = 9.33 se encuentra dentro de lo que el modelo ASM1 propone a una temperatura de 20 C, Se puede afirmar que las condiciones del fango son aceptables para la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales. Agradecimientos A través de esta estancia de investigación, obtuve nuevos conocimientos que me serán de gran utilidad en mi formación académica y profesional, por lo que agradezco: Principalmente a Dios por darme la fuerza y voluntad para sacar el trabajo adelante, por todas las bendiciones que me ha dado y las personas que ha puesto en mi camino. A mi madre por estar siempre conmigo apoyándome en todo lo que me proponga, a mis hermanos por los consejos y apoyo que me brindan. A el programa Delfín, por brindarme la oportunidad de participar como joven investigador en el XXI Verano de la Investigación Científica y Tecnológica del Pacífico A la Universidad Autónoma de Guerrero por apoyarme con los trámites correspondientes para obtener la beca. A sí mismo a la Docente-Investigador, Dra. Cristina Blanco González, por aceptarme como apoyo para su proyecto de investigación Determinación de los parámetros cinéticos de las bacterias heterótrofas del modelo ASM1 para una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales en Chiapas por respirometría que se llevó a cabo durante este periodo, quien mostró disponibilidad e interés para obtener un trabajo adecuado. A si mismos a los compañeros veraniegos con los que trabaje en conjunto para culminar esta etapa de nuestra formación académica y profesional.

8 4 Encuentro de Jóvenes Investigadores CONACYT Acapulco, Guerrero 21, 22 y 23 de septiembre 2016 Referencias Alper Nuhoglua, B. K. (26 September 2004). Mathematical modelling of the activated sludge. ELSEVIER, Carrión M., A. Assaf y F. (2003). Respiration Rate Measurement in Submerged Fixed Bed Reactor; Water Science Technology. Dimocka Rachel, Eberhard Morgenroth (2006). The influence of particle size on microbial hydrolysis of protein particles in activated sludge. Wat. Res. 40, U.J. Strotmann, A. G. (16 November 1998). Evaluation of a respirometric test method to. Elsevier science, 38(15).