Centro de Investigación y Tecnología del Agua

Transcripción

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2 A nivel ecológico, el estudio en profundidad de un ecosistema que opera bajo condiciones de estrés, como son los fangos activos, aporta una gran información ante una situación de desequilibrio ya que en estas condiciones se ponen de manifiesto una gran cantidad de datos fundamentales para el conocimiento del sistema que en situaciones de equilibrio no se producen. Las situaciones de desequilibrio están ocasionadas por un estrés del sistema propiciado por diferentes variaciones de tipo: Ambiental: principalmente por la temperatura. Operacional: carga másica, edad del fango, carga volumétrica, recirculación de fangos, etc. Composición del influente: alteraciones en la concentración de la carga orgánica, tóxicos, etc. 2

3 El estudio microscópico de un fango activo aporta conocimientos adicionales que mejoran la gestión del sistema depurador ya que permiten analizar los problemas presentes, evaluar la situación y tomar las decisiones más coherentes para minimizar y erradicar los problemas. Para que esto sea posible y el sistema esté perfectamente caracterizado es necesario un control de los organismos asociados a fenómenos de causa-efecto. Se puede definir la Bioindicación como el estudio relacionado con la vida y su posible aplicación para la determinación o indicación de alguna circunstancia. Se trata de una técnica de evaluación ambiental que a lo largo de los años se ha consolidado como método para la detección y control de la toxicidad en un determinado ecosistema. Según Madoni y Ghetti (1979) el conocimiento de la estructura en especies de la microfauna puede resultar un instrumento de diagnóstico muy valioso para la eficiencia de la depuración biológica. No todas las especies que colonizan un fango activo son aptas para obtener información válida y coherente. Para que un organismo sea bioindicador se tienen que dar una serie de condiciones: 3

4 1) El organismo escogido debe ser fácil de identificar. 2) El organismo escogido debe concurrir en un margen estrecho de condiciones, es decir debe estar asociado a una condición medioambiental determinada. 3) No debe existir superposición. Esto supone que dos organismos que concurren en un nicho superpuesto no pueden ser bioindicadores, salvo si esta superposición es baja. La abundancia relativa en un hábitat puede ser empleada como guía para indicar su importancia en la estructura ecológica. Esto indica que si una especie se encuentra en un fango con una densidad mucho más elevada que el resto se habrán dado unas determinadas condiciones particulares para la proliferación de dicha especie. Los protozoos son los principales indicadores del estado biológico de los tratamientos convencionales y no convencionales de depuración y en ellos se apoya la Bioindicación de los fangos activos. Antes de abordar el análisis de un fango activo deberemos conocer el grado o la extensión del estudio a realizar. En ocasiones solo es necesario conocer una mínima información básica para obtener una idea general del estado de nuestro fango. 4

5 Sin embargo, en otras ocasiones, será necesario realizar un estudio exhaustivo para profundizar y conocer las causas que originan los desequilibrios y problemas que se dan a menudo en los reactores biológicos y en los clarificadores y así poder tomar las decisiones más acordes a la situación planteada. En el informe de Bioindicación de un fango activo se deberá recoger la información correspondiente al estado flocular, a la actividad biótica y una valoración general del proceso. Para ello será necesario: Evaluar la calidad del fango activo. Evaluar las bacterias filamentosas. Evaluar la fauna protozoaria. Realizar una evaluación final del fango. Proponer recomendaciones y actuaciones. La evaluación de la calidad del fango activo se realiza por medio de sus características a nivel microscópico y macroscópico. Se evalúa la estructura del flóculo, la decantabilidad del fango, la calidad del clarificado y la diversidad de la microfauna. Con todos estos datos se obtiene el Índice del Fango (IF) que nos indicará la categoría del fango. La evaluación de las bacterias filamentosas se realiza mediante el estudio de la especie filamentosa dominante, de su densidad (longitud de filamentos) y de los efectos que puede causar su crecimiento sobre el flóculo y el fango. La evaluación de la fauna protozoaria se realiza mediante el estudio de las especies colonizadoras del fango, su diversidad y densidad para la obtención del grupo funcional dominante. Estos datos servirán para realizar el cálculo del Índice Biótico del Fango (SBI) o Índice de Madoni que nos indicará la Clase de Fango y el diagnóstico de nuestro sistema. Junto a este índice es conveniente calcular el Índice de Shannon-Weaver (H) para conocer la robustez del ecosistema. 5

6 La evaluación final del fango se realiza teniendo en cuenta todos los datos e índices calculados anteriormente empleando la lógica y el sentido común en los razonamientos. Habrá situaciones en las que los datos obtenidos no encajen en su totalidad con los modelos establecidos y será tarea nuestra analizar y comprender el porqué de esa situación tan particular. En el caso de que se detectase un problema de mayor o menor índole será necesario proponer las medidas correctoras adecuadas dirigidas a la corrección de los parámetros operacionales establecidos para llevar al sistema hacia el equilibrio y aplicar las recomendaciones generales para la correcta gestión del proceso. Como base de la Bioindicación, la preparación del material y la toma de muestras son acciones de especial importancia ya que de ellas depende que las muestras sean lo más representativas de la situación real. El personal encargado de recoger las muestras de fango activo deberá tener la percepción de que su misión de preparar el material y obtener las muestras es de enorme importancia y responsabilidad y seguir unas pautas básicas para que las conclusiones que se saquen tras el estudio del material sean las que corresponden a la situación del sistema y se puedan aplicar las correcciones correctas y adecuadas. Estas pautas son: 1) Las muestras de fango activo se deben tomar en botes limpios y de plástico, sin necesidad de que estén esterilizados. 6

7 2) Deberemos tomar al menos 2000 ml de fango activo para poder realizar el ensayo de decantación, determinar la cantidad de sólidos y realizar todos los exámenes microscópicos necesarios. 3) La toma de la muestra se realizará en una zona representativa del reactor biológico y en particular en una zona donde el fango se encuentre perfectamente homogeneizado, evitando las zonas de estancamiento y aquellas muy próximas a las turbinas o difusores. Un lugar ideal puede ser al final de la zona de aireación del reactor, en la zona de los canales de reparto. En ocasiones puede darse el caso de que se requiera algún análisis especial de alguna zona en concreto. 4) Es conveniente no tomar la muestra de la superficie del reactor, salvo que el análisis lo requiera, para evitar la recogida de espumas. La muestra debe tomarse a una profundidad más o menos fija. 5) Los botes de muestreo no deberán nunca llenarse en su totalidad, sino dejando aproximadamente una tercera parte vacía para evitar que se produzcan condiciones de anoxia. 6) Si es posible, fijar inmediatamente una submuestra con líquido de Bouin (5 ml por cada 100ml de muestra) para evitar el deterioro de la microfauna. 7) Si el comienzo del análisis del fango se demorase bastante tiempo debido a su transporte lo aconsejable es oxigenarlo empleando para ello, por ejemplo, un difusor de aire. 7

8 8) Conservar la muestra en una nevera a 4ºC. El análisis de protozoos no debe retrasarse más de 24 horas y el de bacterias filamentosas más de 6 días. 9) Si el tratamiento biológico consta de dos o más líneas independientes será conveniente muestrear cada una de ellas por separado. 10) Para el estudio morfológico y estructural del flóculo, de la fauna protozoaria y de las bacterias filamentosas presentes es necesario poseer un equipo básico compuesto por: Microscopio óptico y, a ser posible, con contraste de fases. Reactivos para las diferentes tinciones. Cámaras de recuento de Fusch-Rosenthal y de Neubauer. 8

9 El fango se caracteriza principalmente por su concentración de sólidos, densidad, viscosidad y sedimentabilidad. Podremos comprender mejor la situación real del fango si conocemos determinados parámetros operacionales y parámetros de control que nos aportan una información muy valiosa. Los parámetros operacionales son característicos del proceso y están fijados por el diseño de la planta. Es necesario respetar estos valores para obtener un rendimiento óptimo. 9

10 Podemos destacar entre los parámetros operacionales: Carga másica (Cm) Carga volumétrica (Cv) Edad del fango (E) Tiempo de retención hidráulico en el reactor biológico (TRHr) Carga másica: Es la relación entre la materia orgánica que entra al reactor al día y la masa de microorganismos existentes en el mismo. También se conoce a este parámetro como la relación alimento-microorganismos (F/M). Se puede emplear para su cálculo MLVSS en vez de MLSS. Carga volumétrica: Es la relación entre la masa de materia orgánica que entra al reactor, por unidad de tiempo, y el volumen de la balsa. Edad del fango: Es la relación entre la masa de fangos existentes en la balsa de aireación y la masa de fangos purgados por unidad de tiempo. A este parámetro también se le denomina tiempo de retención celular (TRC). Tiempo de retención hidráulico en el reactor: Es el tiempo que permanece el agua en el reactor. Los parámetros de control son aquellos en los que podremos actuar previa valoración de la situación. 10

11 Podemos destacar entre los parámetros físicos de control: MLSS y MLVSS Pruebas de decantación V5 y V30 IVF Sólidos en suspensión del licor mezcla (MLSS): Es la concentración de fangos en la zona aerobia del reactor biológico. Sólidos en suspensión volátiles del licor mezcla (MLVSS): Es la concentración de la fracción volátil de los fangos en la zona aerobia del reactor biológico. Pruebas de decantación V5 y V30: Consisten en dejar decantar 1 litro de fango aerobio en una probeta o cono Imhoff durante un determinado tiempo. En la V5 son 5 minutos y en la V30 son 30 minutos. Transcurrido el tiempo se comprueba el volumen de fango decantado. Índice volumétrico del fango (IVF): Se define como el volumen que ocupa 1 gramo de fango. Fangos con un índice superior a 200 indicarán problemas de compactación. El IVF óptimo se encuentra entre 75 y 100 ml/g. Entre los parámetros de control con carácter químico que nos aportan información destacan: Oxígeno disuelto ph Amonio/Nitrito/Nitrato Alcalinidad 11

12 Oxígeno disuelto: El aporte de oxígeno a la zona aerobia debe ser suficiente para que los microorganismos puedan respirar y oxidar la materia orgánica. El valor óptimo para favorecer el desarrollo microbiológico sin un gasto excesivo es de 2 mg O2/l a la salida de la zona aireada. ph: El rango ideal de ph en la zona aerobia deben estar comprendido entre 6,0-7,5. Valores bajos podrían favorecer la proliferación de hongos y valores elevados la proliferación de determinadas bacterias filamentosas. Amonio/Nitrito/Nitrato: La nitrificación es el proceso de oxidación biológica del amonio hasta nitrito y posteriormente hasta nitrato. Las concentraciones de estas especies químicas en el reactor biológico están reguladas bacteriológicamente por los procesos de nitrificación-desnitrificación que tienen lugar y afectan a la fauna protozoaria. Alcalinidad: Para que el proceso de nitrificacióndesnitrificación sea efectivo el agua de entrada al reactor biológico debe poseer suficiente alcalinidad. Hay otros parámetros que siendo muy importantes no se tienen en cuenta y ofrecen una información de enorme valor sobre las características del influente. 12

13 Relación DQO/DBO 5 : Indica el grado de biodegradabilidad del agua. Una relación elevada puede indicar una concentración alta de aceites y grasas. Un agua con materia orgánica biodegradable presenta unos valores comprendidos entre 2,5 y 5. Valores por debajo de 2,5 indican una alta biodegradabilidad y por encima de 5 una baja biodegradabilidad. Relación C/N/P: La relación entre los macronutrientes nitrógeno y fósforo con el carbono (DQO soluble biodegradable) es fundamental para el desarrollo correcto de la biomasa. Un desequilibrio en esta relación influye en la proliferación de bacterias filamentosas y posiblemente en la aparición de bulking. Para aguas urbanas es recomendable una relación 100:5:1 y para aguas mixtas e industriales 100:2,5:0,5. Veamos algunos ejemplos de cálculo de parámetros de proceso. 13

14 Las características macroscópicas del fango activo que se emplean para la valoración del Índice del Fango (IF) son aquellas que son observables a simple vista sobre el aspecto del fango activo y sobre el clarificado del ensayo de decantación V30. La valoración se realiza por medio del ensayo de decantación V30 que consiste en la medición del volumen de fango decantado en una probeta o en un cono de Imhoff durante los 30 primeros minutos de decantación. Para ello se deja que una muestra de fango perfectamente homogeneizado de 1000 ml decante sin la adición de floculantes o coagulantes. Es conveniente observar cómo evoluciona el proceso de decantación y ver cómo son las distintas fases y su interfase, ver el color del fango, la claridad del sobrenadante, la presencia de pequeños flóculos en suspensión, la presencia de natas en superficie, la presencia de otras partículas no habituales (arenas, flotantes, pequeños animales, etc.). 14

15 Aunque existen varias características observables tanto a nivel macroscópico como microscópico solo influyen para el cálculo del Índice del Fango aquellas valorables numéricamente y que han sido contrastadas tras numerosos ensayos realizados como indicativas de la calidad del fango. Las características que se valoran para el cálculo del Índice del Fango (IF) son cuatro: turbidez, flóculos en suspensión, sedimentabilidad y olor. Turbidez: Es una medida indirecta de la cantidad de sólidos que existen en el clarificado dejado. La turbidez puede ser medida mediante un turbidímetro o si se carece de él se puede realizar una valoración visual. Se establecen tres niveles: Alta: aproximadamente más de 40 NTU Media: aproximadamente entre 15 y 40 NTU Baja: aproximadamente menos de 15 NTU Flóculos en suspensión: Se valora visualmente la abundancia relativa de pequeños flóculos en suspensión en el clarificado. Se establecen tres criterios: Alta: abundancia de microflóculos. Media: presencia de microflóculos. Baja: prácticamente hay ausencia de microflóculos. Sedimentabilidad: Alta: la mayor parte del fango decanta en los primeros 10 minutos del ensayo y el fango está muy compactado. Media: la mayor parte del fango decanta entre los primeros minutos y se observa un ligero esponjamiento. Baja: la mayor parte del fango decanta después de 20 minutos y se observa un claro esponjamiento. 15

16 Olor: Es muy aconsejable el oler de vez en cuando el fango. Esta característica nos puede aportar si un fango tiene problemas de septicidad porque huele a podrido, si hay presencia de vertidos (por ejemplo olor a gasoil), etc. Un fango en perfectas condiciones huele a moho o a tierra mojada. Para realizar la valoración se clasifican en: Agradable: fango en perfectas condiciones. Desagradable: fango con otro olor distinto. Existen otras características del fango que si bien no influyen para el cálculo del IF para establecer la calidad del fango si nos dan información muy importante sobre su estado o evolución. Entre otras características podemos destacar: Burbujas en el fango decantado: La presencia de burbujas puede indicar que la compactación del fango es deficiente por diversos problemas de oxigenación o desnitrificación. Reflote del fango: Deberemos comprobar si el fango se reflota y cuánto tiempo ha transcurrido tras la realización de la V30. Hay ocasiones en las que el fango presenta una elevada nitrificación y un estado de anoxia tal que el reflote de parte del fango se produce incluso antes de haber finalizado la V30. Espumas en el reactor biológico: En función de la abundancia de las espumas y del grosor de las burbujas podemos conocer si el fango presenta problemas, como por ejemplo la presencia de determinadas bacterias filamentosas. 16

17 Color del fango: Podemos detectar la presencia de vertidos o condiciones distintas a las normales por el cambio de la tonalidad, o detectar si un fango es viejo por su color más oscuro, presencia de arcillas, etc. La observación y evaluación de las características microscópicas en el fango activo tiene especial importancia en la valoración del Índice del Fango debido a que van a mostrar aspectos que no son perceptibles a simple vista. Para poder identificarlas será necesario la observación a través del microscopio bajo un objetivo de 10x como mínimo. Las observaciones deben realizarse al menos por duplicado y con la muestra viva sin teñir. Debe ser lo más fresca posible y es conveniente, para homogeneizar, agitarla previamente con suavidad para evitar la rotura de los flóculos. Las características microscópicas que se valoran para el cálculo del Índice del Fango son: forma, tamaño, estructura, textura, cobertura, filamentos en el flóculo, filamentos en disolución y diversidad de protozoos. Forma: define la morfología externa del flóculo. Se distinguen dos tipos: Regular: los flóculos tienen forma redondeada Irregular: cualquier otra forma diferente a la redondeada. 17

18 Tamaño: Nos indica la evolución del estado flocular. El tamaño del flóculo podemos medirlo mediante un micrómetro acoplado al microscopio (si se dispone de ello) y si no mediante la comparación en una cámara de recuento en la que conocemos perfectamente el tamaño de las cuadrículas. Se puede realizar un cálculo aun más rápido mediante la comparación con algún protozoo de tamaño regular, como por ejemplo Aspidisca sp., ya que su tamaño normal es de unas 45 µm). Otra técnica de aproximación es la comparación con el diámetro de la zona de visión. Se distinguen tres tipos: Pequeño: tamaño menor de 150 µm Medio: tamaño entre 150 y 500 µm Grande: tamaño superior a 500 µm Estructura: Nos indica el nivel de reticulación del flóculo. Se distinguen tres niveles: Compacta: no existen prácticamente huecos en la estructura interna del flóculo. Media: se detectan algunos huecos. Abierta: existen bastantes huecos dentro del flóculo que rompen la unidad interna. Textura: Mide el grado de cohesión entre las partículas que forman el flóculo. Se realiza una punción sobre el cubreobjetos y se observa si el flóculo se rompe o no. Se han establecido dos categorías: Fuerte: no existe disgregación de flóculos. Débil: existe disgregación de los flóculos. Cobertura: se valora si la unión de todos los flóculos presentes en el ocular cubren un determinado porcentaje de su superficie. Se distinguen tres valoraciones: Menor del 10 % Entre % Mayor del 50 % 18

19 Filamentos en el flóculo: evalúa la cantidad de filamentos que forman parte de la estructura del flóculo. Se diferencian tres posibilidades: Menos de 5 filamentos por cada flóculo. Entre 5 y 20 filamentos por cada flóculo. Más de 20 filamentos por cada flóculo. Filamentos en disolución: cuantifica la existencia de filamentos libres entre los espacios intracelulares. Se distinguen dos categorías: Baja: no se observan filamentos. Alta: sí se observan filamentos. Diversidad de protozoos: se cuantifican la cantidad de protozoos presentes en el fango activo. Se valoran tres opciones: Menos de 4 especies. Entre 4 y 7 especies. Más de 7 especies. Al igual que ocurría con las características macroscópicas, existen otras microscópicas que, aunque no están incluidas en la determinación del Índice de Fango, son muy útiles y ofrecen una excelente información sobre el estado del fango y del proceso en general de fangos activos. Entre las características destacan: fibras orgánicas, partículas inorgánicas, amebas desnudas, bacterias helicoidales y Zooglea. Fibras orgánicas: La presencia principalmente de raíces y restos vegetales puede provocar problemas en la compactación y sedimentación del fango. 19

20 Partículas inorgánicas: Su presencia indica que existen arenas y arcillas en el fango que pueden provocar problemas de sedimentación. Amebas desnudas: Suelen aparecer en fangos en la primera fase de colonización, es decir en fangos muy jóvenes, o en fangos desestabilizados debido a la presencia de tóxicos o condiciones de baja disponibilidad de oxígeno disuelto. Bacterias helicoidales: Su presencia puede indicar que existen problemas de anaerobiosis en el fango. También suelen aparecer en períodos con temperaturas elevadas. Zooglea: La presencia de género de bacterias que excreta polisacáridos al medio provoca problemas de sedimentación debido a la gelificación del clarificado. Se detecta fácilmente su abundancia cuando al inclinar la probeta donde se ha realizado la prueba de decantación V30 el fango decantado no mantiene la horizontalidad. 20

21 El Índice de Fango se puede definir como un parámetro indicador del estado de floculación en el reactor biológico que nos aporta información para controlar las condiciones del cultivo y de esta forma mejorar la eficacia de la reducción de la materia orgánica y los sólidos en suspensión. Se trata de un sistema de control rápido mediante el cual se obtiene un índice de formación flocular que informa del estado del fango y del rendimiento depurador. A través de la información obtenida se puede mejorar el rendimiento depurador actuando sobre los parámetros de control. Los cambios introducidos provocarán un cambio relativamente rápido en el fango activo por lo que es conveniente hacer un seguimiento continuado y frecuente a este índice para comprobar su evolución. 21

22 El Índice del Fango es obtenido por medio de las valoraciones de las características macroscópicas y microscópicas. Se otorgan determinados valores a cada una de las características cuantificables en función de unas tablas tabuladas. Las características macroscópicas influyen un 30% en el valor final del IF y las microscópicas un 70%. El valor del IF obtenido está entre 0 y 100. En las tablas siguientes quedan reflejados los valores otorgados para cada una de las características macroscópicas y microscópicas estudiadas: Tabla 1. Puntuaciones para las características macroscópicas Tabla 2. Puntuaciones para las características microscópicas Tabla 3. Plantilla para la determinación del IF. Una vez obtenido el Índice del Fango a través de las puntuaciones obtenidas de las características macroscópicas y microscópicas hay que establecer la categoría en la que se encuentra el fango en estudio. Desde un punto de vista básico y sencillo, se han establecido cinco categorías para el fango: malo, pésimo, regular, bueno y óptimo. 22

23 Se han establecido una serie de rangos de puntuación en los que se sitúan cada una de las diferentes categorías del fango. La categoría en la que se encuentra el fango en estudio nos da una idea general de la capacidad de depuración y de la calidad del efluente que se obtiene. Esta valoración se complementa con los estudios de la fauna protozoaria y de bacterias filamentosas pudiendo darse el caso de que se obtenga una categoría regular y sin embargo la calidad del efluente es aceptable. Una de las causas de este hecho es que este índice no tiene en cuenta en profundidad el efecto causado por determinadas bacterias filamentosas. Veamos un ejemplo para establecer la categoría de un fango: Ejemplo 1. Determinación de la categoría de un fango. El control de la formación flocular en el reactor biológico es uno de los procesos fundamentales para la obtención de un fango con unas propiedades de decantación óptimas. 23

24 La observación y cuantificación de la concentración flocular nos da una idea de la calidad del fango y del estado del proceso de depuración. Para realizar la cuantificación pondremos en un portaobjetos un volumen conocido de fango, generalmente unos 25 µl, perfectamente homogeneizado. Para un recuento más rápido podremos emplear una cámara de recuento de volumen conocido como es la de Fusch- Rosenthal, de 0,9 ml. El recuento se realizará por triplicado, realizando una media de los valores obtenidos. El resultado se expresará en número de flóculos/ml. Es conveniente realizar además una medición del tamaño flocular y de su aspecto para obtener una idea del estado estructural. Generalmente, valores elevados de flóculos indican que su tamaño es pequeño por lo que su decantación será pésima. Al contrario, si el número de flóculos es bajo, su tamaño es grande (>500 µm) y su estructura es compacta, la decantación será muy buena. FIN DE LA UNIDAD 24