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2 FUNDAMENTOS DE LA PURIFICACIÓN DEL AGUA Biol. Armando Rivas Hernández

Objetivo particular:

• El participante conocerá y comprenderá los principios físicos, químicos y biológicos que intervienen en el restablecimiento de la calidad del agua.

Introducción: Todos los cuerpos de agua (ríos, lagos, etc.) poseen su propia capacidad de autopurificación cuando les son descargadas aguas residuales, es decir, pueden restablecer su calidad a las características que poseían antes de recibir algún contaminante. Sin embargo es sumamente importante mencionar que esa capacidad es limitada. Dependiendo del tipo de descargas que reciban la recuperación se verá afectada por la concentración de contaminantes y nutrientes, la disponibilidad de oxígeno disuelto, y la temperatura ambiental y del agua. Cuando un río o lago recibe descargas de aguas residuales de manera muy próxima entre sí, se presentan problemas de contaminación al rebasar su capacidad de purificación. En los procesos de purificación participan de manera simultánea factores: físicos, químicos y biológicos, por ejemplo sobre la materia orgánica puede presentarse simultáneamente un rompimiento en sus enlaces por hidrólisis (acción del agua), por acción de microorganismos (biodegradación), y por sedimentación al presentarse adhesión entre partículas (factor físico). Estos procesos se presentan de manera natural en los cuerpos de agua y también se desarrollan, aunque de manera más controlada y eficiente en una planta de tratamiento, donde su velocidad de remoción de contaminantes es mayor. 2.1 Comparación de velocidades de remoción de contaminantes entre un sistema

natural y una planta de tratamiento En el agua del río se encuentran presentes muchos tipos de organismos (plantas y animales), materiales orgánicos e inorgánicos y microorganismos. Algunos microorganismos se desarrollan suspendidos en el agua y otros se adhieren a las superficies en el lecho del río, sobre rocas, raíces y tallos de plantas, de tal manera que la

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materia orgánica e inorgánica va siendo transformada en biomasa, una parte se convierte en agua, otra escapa hacia la atmósfera en forma de gases (CO2) y el resto se transforma en compuestos mineralizados. Los microorganismos para desarrollarse y reproducirse toman del agua materiales orgánicos y lo degradan o descomponen a compuestos más sencillos; a su vez estos microorganismos (bacterias, hongos y algas) constituyen una cadena alimentaria para otros organismos (protozoarios, larvas, insectos y peces). Es decir, los contaminantes orgánicos son transformados biológicamente en bióxido de carbono, metano, nitritos y en biomasa (células vivas). En la lámina 2.1 se representa: a) la remoción de contaminantes mediante purificación natural, b) acumulación vertical de capas y c) la simulación de un tratamiento mediante filtro biológico. En el inciso a, intervienen procesos de dilución, sedimentación, adsorción, filtración y degradación biológica. Durante la degradación biológica los microorganismos toman los contaminantes (nutrientes) del agua, por lo que se desarrolla una purificación gradual. Aquí el área de contacto (1 m2) es menor que la de los incisos b y c, por lo que se presenta la menor velocidad de purificación.

Lámina 2.1 Mecanismos de autopurificación en sistemas naturales y en plantas de tratamiento

a) Remoción de contaminantes mediante purificación natural (A = 1m2).

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b) Acumulación vertical de capas (A = 10m2)

c) Simulación de un tratamiento mediante filtro biológico (A=100m2)

En el inciso b, se observa que la superficie de contacto se ha incrementado diez veces, considerando que cada capa tiene dos caras. En la lámina 2.1 inciso c, se presenta un empaque de rocas de 5 cm de diámetro, el área es 100 veces mayor en la misma distancia del flujo, por lo que su velocidad de purificación (remoción de contaminantes) es mayor. Consecuentemente los días requeridos para su autopurificación pueden convertirse en horas de tiempo de residencia. Ciertamente los requerimientos de energía y de oxígeno también deberán de ser mayores por lo que será necesario suministrarlo en la proporción requerida.

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2.2 Etapas del proceso de autopurificación Son varios los factores y elementos que intervienen en la autopurificación de un cuerpo receptor, encontrándose entre los más importantes:

• Características del agua residual (cantidad y calidad) • Características físicoquímicas y biológicas de ambas • Temperatura • Oxígeno disponible • Luz solar • Velocidad de flujo

Un cuerpo receptor, antes de recibir una descarga de agua residual, posee una diversidad de especies, una concentración de nutrientes y de oxígeno, y una tendencia cercana al equilibrio entre todos sus componentes. Al recibir la descarga se propician cambios, y para restablecer la calidad del agua y la biodiversidad son necesarias 4 etapas (ilustradas en la lámina 2.2 ): 1ª Etapa: Degradación.

• Cercana al punto de descarga. • El oxígeno se consume rápidamente, descendiendo hasta una concentración cercana a

2 mg/l. Antes de la descarga la concentración varia entre 7g 10 mg/l. • El agua se enturbia y disminuye el paso de la luz, reflejándose en una

disminución de la fotosíntesis y consecuentemente de la producción de oxígeno. • La biodiversidad disminuye. Los peces, algunos invertebrados, y en

general las formas de vida superior desaparecen y son sustituidas por algas verdiazules, bacterias y hongos. Permanecen algunos ciliados, larvas de mosquitos (tubifex) y protozoarios.

• Se presenta el fenómeno de dilución al mezclarse los dos tipos de agua. 2a Etapa: Descomposición Activa.

• Hay un abatimiento total de oxígeno. • Se generan malos olores (producción de H2S y de amoniaco). • Se desarrollan microorganismos anaerobios predominantemente. • Casi desaparecen los ciliados y protozoarios. Persisten larvas de los géneros

Neristolis y Psychoda. • Aumenta el número de individuos de las especies que permanecen.

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3a. Etapa: Recuperación.

• Es la de mayor extensión. • Disminuye la concentración de nutrientes. • Se restablece la concentración de oxígeno hasta un poco menos de la mitad de

la concentración original. • Disminuye la producción de malos olores. • Aumenta la concentración de nitritos y nitratos • Se recupera un poco la diversidad de especies. Aparecen rotíferos crustáceos,

protozoarios, algunos hongos y algas. Aumenta el número de especies que viven en el fondo (caracoles y larvas de insectos).

• Disminuye el número de individuos por especie. • Ya se pueden desarrollar algunas especies de peces, las que no sean muy sensibles a

bajas concentraciones de oxígeno, y a concentraciones mayores de 7mg/l de amoniaco, como es el caso de Tilapia.

4a. Etapa: Agua limpia.

• Se restablecen las características de calidad del agua, existentes antes de la descarga. • Se restablecen el oxígeno, la flora y la fauna originales.

Lámina 2.2 Etapas de contaminación-regeneración y efectos sobre algunos parámetros

Fuentes: Ronald M.A. y Bartha R. 1987; Carpenter P.L. 1969: Odum, 1972.

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En la lámina 2.2 se observa que los efectos A-D representan los cambios físicoquímicos y los efectos E-F representan cambios biológicos. La distancia y el tiempo requerido para restablecer la calidad del agua dependerá de las características de cada cuerpo receptor. Por ejemplo, en el caso de un río la velocidad de recuperación estará en función de:

• La cantidad y calidad del agua (del río y de la descarga) • Temperatura (tanto del agua del río como de la descarga) • Clima de la zona • Velocidad de la corriente • Topografía • Tipo de suelo por el que corre el agua

Todos estos aspectos influyen en la oxigenación y en el tipo de organismos que se pueden desarrollar. La distancia y tiempo, que se indican en la lámina 2.2, fueron tomados de un estudio sobre saneamiento realizado en el Río Apatlaco, en el estado de Morelos (Rivas H. A. y González H. A., 1990). En esta lámina se tiene que con la descarga de agua residual la DBO incrementa bruscamente, para posteriormente ser removido hasta restablecer la concentración inicial, que en un río no contaminado sería menor de 25 mg/l. Después de la descarga, de una manera más lenta, el oxígeno prácticamente se abate llegando a niveles cercanos a 2 mg/l. Entre la zona 2 y 3 el oxígeno se recupera después de un día y entre tres y cuatro kilómetros de recorrido. Es importante observar el punto donde se cruzan las curvas, en la zona 3, ya que a partir de aquí se acelera la recuperación de la flora del agua limpia indicada en el efecto F. En el efecto B, incrementa la concentración de nitrógeno y fósforo considerando que el agua residual los contiene en mayores proporciones que las del río. Posteriormente estos compuestos van siendo oxidados a nitritos, nitratos y fosfatos los que servirán de nutrientes para las plantas y por lo tanto se transformarán en biomasa. En el efecto C los sólidos enturbian el agua, se reduce la penetración de la luz, pero se reducen paulatinamente. Los sólidos suspendidos de mayor peso sedimentan y los de densidad similar al del agua serán biodegradados junto con los sólidos disueltos. En el efecto D el pH incrementa de un valor cercano a siete a uno cercano a nueve, pero restablece su valor original cercano al punto de quiebre entre el oxígeno disuelto y la DBO.

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En el efecto F la diversidad de especies se reduce de manera brusca, desaparecen las formas de vida superior y proliferan los microorganismos, particularmente las bacterias y los hongos (efecto F). En este efecto se incrementa el número de individuos por especie como resultado de la reducción en la diversidad. En el caso de las plantas de tratamiento los principios que intervienen en la purificación del agua son los mismos, solamente que se puede tener control sobre varios de los factores. Las plantas de tratamiento que más se asemejan a estos mecanismos de purificación corresponden a los llamados sistemas naturales como son las lagunas de estabilización y los humedales artificiales. En los sistemas convencionales, como son los lodos activados, se requiere introducir energía de manera adicional para el suministro de oxígeno, bombeo, tratamiento de lodos, etc. De cualquier manera los principios fisicoquímicos y biológicos siguen vigentes, pero de una manera mucho más eficiente. 2.3 Factores que afectan los procesos de purificación Los procesos de purificación son afectados básicamente por seis aspectos:

Oxígeno Disuelto

Materia Orgánica

Temperatura

pH

Sustancias Tóxicas

Amoniaco

Purificación

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Oxígeno disuelto Este elemento (aceptor de electrones) es necesario para que los microorganismos puedan degradar (oxidar) la materia orgánica. De hecho, con este parámetro se clasifican a los microorganismos en aerobios (viven en presencia del oxígeno) y anaerobios (viven en ausencia del oxígeno). Existen microorganismos que pueden vivir bajo estas dos condiciones, y se les conoce como microorganismos facultativos. En el caso de los aerobios, cualquier material orgánico, su máxima oxidación es hasta formar bióxido de carbono (CO2 ). Se tiene una alta disponibilidad de oxígeno cuando se presenta una alta dilución en el agua. En un cuerpo natural de agua el oxígeno proviene del aire, donde penetra (se diluye) en la superficie del agua, y posteriormente avanza hacia el fondo por difusión y por convección. Materia orgánica. Sin duda alguna la concentración de nutrientes juega un papel fundamental en los procesos de purificación, ya que afecta de manera directa la velocidad de consumo de oxígeno. Dicho de otro modo, la carga orgánica es la cantidad de materia orgánica contenida en el agua residual, la que está referida en términos de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO). El agua residual normalmente contiene todos los nutrientes en las proporciones necesarias, sin embargo para fines de tratamiento podrán presentarse casos en los que será necesario adicionar algún fertilizante para compensar la deficiencia de algún nutriente. Los microorganismos de manera genérica requieren de la presencia carbono, nitrógeno y fósforo de 100:10:1 para desarrollarse de manera normal. Temperatura. Este parámetro es de gran importancia en las reacciones químicas y bioquímicas que se presentan durante la estabilización de la materia, ya que afecta la velocidad de las reacciones y el comportamiento de los microorganismos. La temperatura óptima para el tratamiento es de 20 a 25°C. Una disminución de 10°C puede reducir la eficiencia de tratamiento hasta en un 50%. Al descargar agua residual en un cuerpo de agua, además de los materiales que contiene, cuando presenta una temperatura lo suficientemente mayor que la del agua receptora, por ejemplo la descarga de un ingenio azucarero, con una temperatura promedio de 40 ° C, produce diferentes efectos:

• el oxígeno se hace menos soluble (se escapa al ambiente) • se incrementa la velocidad metabólica de los microorganismos

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Aparentemente esto último es bueno, pero no lo es al considerar la disminución de la concentración del oxígeno disuelto. Después de los 40 ° C comienzan a aparecer muchos tipos de microorganismos y se generan condiciones para el desarrollo de otros menos benéficos para el tratamiento. Es importante considerar que también la temperatura afecta la velocidad de evaporación. Amoniaco. Dependiendo del pH, de la temperatura y de la concentración de amoniaco, se pueden tener efectos sobre los sistemas de tratamiento o sobre los cuerpos receptores. Concentraciones de 1 a 5 mg/l son inhibitorios o letales para muchos tipos de peces, sofocándolos y reduciendo su velocidad de captación de oxígeno en la sangre. Además provoca un incremento en la demanda de oxígeno para su conversión en nitratos y posteriormente en nitritos. La ecuación que representa la conversión de amoniaco en nitratos es la siguiente:

OHHNOONH 2324 22 ++⇒+ +−+ (1)

En esta ecuación se observa que se requiere de un oxidante para realizar la reacción, en este caso el oxígeno. En las plantas de tratamiento cuando se utiliza cloro para la desinfección en presencia del amoniaco, la eficiencia desinfectante se reduce, porque parte del reactivo es demandado para la oxidación del amoniaco. Sustancias tóxicas. Cuando las aguas residuales contienen sustancias tóxicas se inhiben o matan a los microorganismos de diferentes maneras. Algunos metales pesados (Cromo, Zinc o Plomo), fenoles, plaguicidas y desinfectantes, producen envenenamiento en los microorganismos y más aun cuando existe acumulación de estos compuestos. pH. Existe un intervalo de pH en el cual los microorganismos pueden desarrollarse en condiciones óptimas, pero hacia los extremos de este intervalo afecta a la población microbiana reduciendo su desarrollo. En la lámina 2.3 se ilustra el efecto del pH sobre E. Coli. El valor óptimo para su crecimiento es cercano al 7. En un medio ácido con pH menor de 5 o en uno alcalino con valor de 9 esta bacteria no puede reproducirse.

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Lámina 2.3 Efecto del pH sobre los microorganismos

Fuente: Carpenter P. 1969. En los procesos de purificación o de tratamiento del agua son muchos más los factores y parámetros que intervienen en el crecimiento, desarrollo y destrucción de los microorganismos. El asunto se torna más complejo al presentarse combinaciones entre el cambio y los efectos producidos por los diferentes factores. 2.4 Consideraciones de la energía El uso y la transformación de la energía son procesos de los más cotidianos en la naturaleza. Los organismos para vivir requieren de una fuente de energía para realizar todas sus funciones. La energía puede presentarse de varios modos: luminosa, calorífica, mecánica, eléctrica y química. Particularmente, la energía luminosa puede transformarse en energía química mediante reacciones fotoquímicas, como ocurre en las plantas durante el proceso de fotosíntesis. La energía queda contenida en enlaces químicos y puede ser transformada en energía de movimiento, posteriormente puede convertirse a nuevos enlaces químicos para la elaboración de protoplasma. Todas estas transformaciones siguen algunos principios: algunas uniones químicas poseen más energía que otras, es decir, los diferentes materiales orgánicos contienen cantidades diferentes de energía; existe pérdida de energía en cada una de las transformaciones.

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En el caso de los microorganismos parte de esta energía es almacenada en sus células en forma de ATP (adenosín trifosfato), y va siendo utilizada conforme se vaya requiriendo para que estos puedan desarrollarse, moverse, reproducirse y producir calor. Al proceso de utilizar la energía contenida en materiales orgánicos e inorgánicos (energía química) por organismos vivos se le conoce como reacción de oxido-rreducción y por lo tanto, constituye una reacción bioquímica. Como se verá mas adelante, el oxígeno no es el único compuesto que interviene en estas reacciones, también es importante mencionar que el objeto de una reacción de óxido-reducción no es el de la transferencia de oxígeno, sino la de electrones, donde el oxígeno funciona como su aceptor. En la lámina 2.4 se presenta el metabolismo del herbicida fenilurea 3-(p-Bromofenil)-1-metoxi-1-metilurea. Se observa que en cada reacción va siendo separada una parte, al mismo tiempo que el nombre se simplifica. Los enlaces se van rompiendo, las partes que se separan así como la energía liberada son aprovechadas por los microorganismos.

Lámina 2.4 Degradación de un herbicida por microorganismos

Fuente: Ronald M.A. Y Bartha R. 1987.

3 – (p-Bromofenil) - metoxy - 1 - metilurea

O ll

H-N-C-N OCH2CH2

3 – (p-Bromofenil)- 1 - metoxyurea

O ll

H-N-C-N

O ll

H-N-C-NH2

p-Bromofenil urea

Br

Br p-

bromoanilina

NH2

Br Br

OCH2H

93

2.5 Estructura, elementos y funcionalidad en un ecosistema acuático

2.5.1 Estructura

El ecosistema esta estructurado de una parte viva (medio biótico) y de una inerte (medio abiótico). No obstante que existe una gran variedad de hábitats acuáticos (ríos, lagos, océanos, estanques y manantiales) los elementos y factores que participan en su estructura son los mismos. Los componentes biológicos son: autótrofos, heterótrofos y desintegradotes. Los autótrofos se caracterizan porque se nutren por si mismos. Toman y fijan la energía solar, elaboran sustancias complejas a partir de otras simples y constituyen la base de la cadena alimentaria. Se dividen en:

• Fotosintéticos (producen sus alimentos en presencia de luz y clorofila como las bacterias fotosintéticas, algas y plantas)

• Quimiosintéticos (obtienen su energía por la asimilación de CO2 y no por fotosíntesis, y por la oxidación química de compuestos inorgánicos como el amoniaco, nitritos, nitratos y sulfuro)

Los heterótrofos no pueden sintetizar sus propios alimentos, por lo que se alimentan de otro seres. Utilizan los materiales producidos por los autótrofos para adaptar, cambiar o degradar materiales más complejos o para el consumo de otros organismos. Pueden ser consumidores primarios (microorganismos que se alimentan de plantas), o terciarios (es el siguiente nivel trófico, se alimentan de los consumidores primarios). Y los desintegradores quienes degradan los compuestos a productos finales, como es el caso de las bacterias y hongos.

2.5.2 Elementos

Sustancias orgánicas: Proteínas, lípidos, carbohidratos, sustancias húmicas, etc. Enlazan lo vivo y lo no vivo.

Sustancias inorgánicas: Carbono, hidrógeno, nitrógeno, de un ecosistema son: fósforo, azufre, CO2, nitritos, nitratos, fosfatos, etc.

Factores y elementos del clima: Altitud, latitud, vientos, lluvia, evaporación, temperatura, etc.

Los elementos básicos de un ecosistema son:

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2.5.3 Funcionalidad Las interacciones que se presentan entre la estructura y los elementos del ecosistema de manera genérica se pueden analizar desde los siguientes puntos de vista:

• Circuitos de energía • Cadenas alimentarias • Ciclo de los elementos (C, H, O, N, S, P) • Dinámica de poblaciones • Diversidad de especies • Evolución

En el caso de las condiciones ambientales de un sistema de tratamiento, aun cuando se presenten todos los componentes anteriores, la mecánica en general es la misma, solo que se presentan algunas variables. La fuente principal de energía requerida por los microorganismos es la materia orgánica contenida en las aguas residuales y los consumidores dominantes son los heterótrofos (bacterias y hongos; y además algas y plantas acuáticas en los sistemas naturales). Las condiciones ambientales que se producen (pH, tipos de microorganismos, etc.) son más específicas en un sistema de tratamiento, y por lo tanto se pueden controlar de acuerdo con sus necesidades. Además de la estructura del sistema acuático en un momento dado y de manera simultánea intervienen en los procesos de purificación diferentes factores y componentes que ocasionan que el aspecto funcional sea bastante complejo. Algunos de estos componentes son la temperatura, pH, concentración de oxígeno, altitud, latitud, evaporación, penetración de la luz, transparencia, vientos, naturaleza de las aguas residuales, cantidad y velocidad del flujo. Aunque de manera conjunta, estos componentes tomarán una importancia específica para cada uno de los casos dependiendo de sus circunstancias particulares. En la lámina 2.5 se ilustran los componentes que interactúan en la composición, distribución y cantidad de organismos, así como en las velocidades de su producción de un cuerpo de agua.

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Lámina 2.5 Componentes que interactúan en la composición, distribución y cantidad de organismos, así como en las velocidades de su producción

Fuente: (Op cit Celis S. M. P., 1983).

2.6 Crecimiento bacteriano El crecimiento se refiere al aumento en cantidad de los constituyentes y estructuras celulares. Puede reflejarse en el tamaño de las células, o en el número (crecimiento individual y crecimiento de la población). Las bacterias se reproducen por fisión binaria (de una célula se forman 2), sexualmente (intercambio genético), o por gemación (formación de una célula hija a partir de la célula madre). La velocidad de reproducción varía desde menos de 20 minutos por generación hasta varios días, dependiendo de las especies, por ejemplo E. Coli presenta un tiempo medio de división de 15 minutos, su crecimiento exponencial en 20 generaciones se presenta en la tabla 2.1: Tabla 2.1 Crecimiento exponencial de E. Coli

TIEMPO MINUTOS

NÚMERO DE GENERACIÓN

NÚMERO DE CÉLULAS

Log10 DEL NÚMERO DE CÉLULAS

0 0 1 0 15 1 2 0.301 30 2 4 0.602 45 3 5 0.903 60 4 16 1.204 75 5 32 1.505

96

E. Coli en 5 hr produce 1’048,576 células a partir de una sola. El crecimiento de la población de microorganismos generalmente se presenta con una velocidad exponencial, lo cual se podría mantener indefinidamente si se presentaran todas las condiciones requeridas de oxígeno, temperatura, pH, nutrientes, etc., pero como estas condiciones no se presentan de manera natural, entonces la población pasa por diferentes etapas en función de tales aspectos. En la lámina 2.6 se presenta la curva típica de crecimiento para un sistema cerrado.

Lámina 2..6 Curva típica de crecimiento bacteriano para un sistema cerrado

TIEMPO

MINUTOS

NÚMERO DE

GENERACIÓN

NÚMERO DE

CÉLULAS

Log10 DEL NÚMERO

DE CÉLULAS 90 6 64 1.806

10.5 7 125 2.107 12.0 8 256 2.408 13.5 9 512 2.709 15.0 10 1,024 3.0103

- - - - - - - -

5 Hrs 20 1.048,576 6.021

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Esta curva de crecimiento se presenta en sistemas cerrados, por ejemplo en un recipiente con un caldo nutritivo, o en el de un queso en descomposición. La descomposición ocurre en cuatro fases: 1a. Fase de retardo: tambien conocida como fase de latencia o de adaptación, el número de

bacterias no aumenta pero si se presenta un aumento en tamaño, una gran actividad fisiológica, síntesis de enzimas y síntesis de metabolitos no existentes en el medio.

2a. Fase exponencial: las células se dividen a una velocidad que depende del tipo de

bacteria y de sustrato. Hay abundancia de nutrientes. La división celular presenta una velocidad constante, es decir, cada división necesita el mismo tiempo que la antecedió. Se presenta una multiplicación logarítmica.

3a. Fase estacionaria: la población disminuye su velocidad de reproducción, así como la

concentración de nutrientes, las bacterias han liberado productos tóxicos y de desecho. El nivel estacionario máximo es una población elevada constante conservada por equilibrio entre células nuevas con la muerte de células viejas.

4a. Fase de muerte: también se presenta un modelo logarítmico en la disminución del

número de células. Aquí, la velocidad en que las bacterias mueren es mayor que la de su reproducción. Se redujo la cantidad de alimento y el ambiente se ha tornado difícil para el crecimiento, por ejemplo el pH puede haber variado lo suficiente para afectar las células.

Durante esta fase se puede presentar el fenómeno de respiración endógena, en la que por haber poco alimento las células sintetizan su protoplasma. Los nutrientes provenientes de células muertas son utilizados por las células viables. La curva de crecimiento antes referida se relaciona con un modelo de crecimiento en un sistema cerrado (batch), pero en un sistema con flujo continuo es importante mantener la entrada de nutrientes de manera constante manteniendo en equilibrio su concentración con el número de células, ligeramente por debajo de la que se obtiene en la fase estacionaria. Como antes se mencionó los factores importantes que intervienen son número de células, concentración de nutrientes y tiempo. El comportamiento de los nutrientes sería a disminuir con el tiempo como lo muestra la lámina 2.7.

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Lámina 2.7 Disminución del sustrato con respecto al tiempo

2.7 Consideraciones de la biodegradación

A continuación se mencionan conceptos generales de la biodegradación.

• La microflora que predomina en la presencia de un sustrato puede ser casi totalmente reemplazada cuando otro sustrato entra en el habitat.

• La velocidad de degradación y el desarrollo de un organismo depende de la cantidad de alimento que le es presentado en cantidad mínima (Ley de Liebig).

• Existe una proporcionalidad directa entre la velocidad de descomposición de los sustratos orgánicos y la concentración de Nitrógeno y de Fósforo en el sistema; la relación de valida en proporciones C - N - P de 100 - 10 - 1 .

• Ninguna de las distintas comunidades es homogénea en el espacio ni se mantiene constante en el tiempo.

• Ninguna especie heterótrofa en particular puede producir la

descomposición completa de la materia orgánica.

• No todas las partes de la materia orgánica se desintegran a la misma velocidad. Se da en etapas.

• La energía es en cantidad diferente para cada uno de los compuestos moleculares, dependiendo de su potencialidad de oxidación y reducción.

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• La degradación de la materia es el resultado de la interacción de los factores físicos,

químicos, biológicos y ambientales, y además es dinámica en el tiempo.

• Los microorganismos son indicadores biológicos que integran todas las condiciones en el espacio y en el tiempo existente en el ambiente.

2.8 Reacciones bioquímicas más frecuentes Las reacciones que se presentan de manera mas frecuente en el área del tratamiento (Op cit

Dinges, 1982) son:

a) Anaerobias no fotosintéticas b) Bacterianas aerobias no

fotosintéticas c) Fotosintéticas

Enseguida se desarrollan cada una con sus fórmulas respectivas.

a) Reacciones anaerobias no fotosintéticas (ausencia de oxígeno molecular)

a.1) Reducción de nitrato (denitrificación)

OHOHNCONCOOCH 86410085 22233 +++→+ (2)

+++→++ HNSOOHNOS 435265 2423 (3)

a.2) Reducción del sulfato

OHSHCOOHCHSOCHOHCOOHCH 222 2343 ++→+

(4)

OHSHOHSOH 224 2242 ++→+ (5)

a.3) Reducción del carbono orgánico (fermentación)

243 COCHCOOHCH +→ (6)

OHCOCHOHCH 2243 234 ++→ (7)

100

COOHCHOHC BACTERIA

36126 3→ (8)

2236126 22 COOHCHCHOHC ENXINA +→ (9)

a.4) Reducción del dióxido de carbono

43223 22 CHCOOHCHCOOHCHCH +→+ (10)

OHCHCOH 2422 24 +→+ (11) OHCOOHCHCOH 2322 224 +→+ (12)

b) Reacciones bacterianas aerobias no fotosintéticas b.1) Sistema limitado de oxígeno

43223 2 CHCOOHCHOOHCHCH +→+ (13)

COOHCHOCHOCH 323 22 →+ (14)

OCHCOCHCHOCHOHCHCH 233233 222 +→+ (15) b.2) Oxidación completa

OHCOOCOOHCH 2223 222 +→+ (16)

OHOH 222 22 →+ (17) OHCOOCH 2224 22 +→+ (18)

b.3) Nitrificación

OHHNOONH 2223 22232 ++→+ (19)

322 22 NOONO →+ (20) b.4) Oxidación del azufre

OHSOSH 222 222 +→+ (21) ++→++ HSOOOHS 42322 422 (22)

++→++ HSOOOHOS 222 42232 (23)

b.5) Fijación del nitrógeno

cos2 OrgániNitrógenosN → (24)

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Reacciones Fotosintéticas

SOHOCHHCO LUZ 2)(22 2222 +++ → (25)

4222 24)(3523 SOHOCHOHSCO LUZ ++++ → (26)

222,

22 )(2 OOHOCHCHCO ALGASLUZ +++ → (27)

OHOHCCOCOOHCH LUZ226423 6)(429 ++→ (28)

OHOCHHCO LUZ2222 )(2 ++ → (29)

OHOHCHCOOHCH LUZ226424 2)(2 ++ → (30)

En resumen puede decirse que son varios los procesos que intervienen en la purificación del agua, los que se presentan de manera simultánea tanto en la depuración natural, como en las plantas de tratamiento, solamente que en estas últimas los fenómenos y reacciones se desarrollan de una manera controlada, por lo que la velocidad de remoción de contaminantes es mayor. En los sistemas de tratamiento se tiene una mayor demanda de energía, la que debe suministrarse por medios mecánicos o biológicos, sin embargo, se puede ejercer un control sobre diversas variables como son cantidad y calidad de alimento, tipo de microorganismos (aerobios o anaerobios), tiempos de residencia hidráulica, concentración de oxígeno y combinación de procesos, con el fin de obtener mejores eficiencias de tratamiento que las que se pueden dar de manera natural. Mediante el tratamiento de las aguas residuales se permite que los cuerpos receptores desarrollen su capacidad de asimilación y dilución de contaminantes, lo que contribuye con la protección de la vida acuática y del ambiente, la conservación de la calidad requerida para los diferentes usos del agua, la reducción de riesgos para la salud y en general para conservar el recurso hídrico.

102

Autoevaluación

Instrucciones: A continuación encontrará una serie de preguntas, por favor redacte y seleccione la respuesta que considera correcta.

1. Describa brevemente en que consiste el proceso de autopurificación

2. En que son transformados biológicamente los contaminantes orgánicos?

a) Cadena alimentaria b) Larvas, peces y crustaceos c) Bióxido de carbono, metano, nitritos y en biomasa

3. Mencione las cuatro etapas de la auto purificación y explique brevemente la tercera.

4. Mencione cuatro de los factores que afectan los procesos de purificación.

5. Los elementos de la estructura de una ecosistema acuático son:

a) Metoxy, bromofenil y urea

b) Altitud, latitud y lluvia

c) Autótrofos, heterótrofos y desintegradores

d) Proteínas, lípidos y carbohidratos

103

6. Menciona cuales son los elementos básicos de un ecosistema.

7. Cite las cuatro fases del crecimiento bacteriano y explíquelas de forma breve.

8. ¿Cual de las siguientes tres reacciones equivale a una reacción de oxidación completa?.

a) OHCOOCOOHCH 2223 222 +→+

b) COOHCHOHC BACTERIA36126 3→

c) OHCHCOH 2422 24 +→+

9.- ¿Cuál de las siguientes ecuaciones es de fermentación?

a) OHHNOONH 2324 22 ++⇒+ +−+

d) 2236126 22 COOHCHCHOHC BACTERIA +→

e) SHOHCaCOCOHCaSO 223224 34 ++↓→++

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Bibliografía Carpenter. 1969. Microbiología. 2a Edit. Interamericana. Celis S. M. P., 1983. Memoria del curso “microbiología y aplicaciones en los procesos biológicos de tratamiento de aguas” Proceso de eutroficación. Cap. 18. SARH, OPS, CIECCA. Dinges. R. 1982. Natural systems for water pollution control. Van Nostrand Reinhold Co. Odum. 1972. Ecología. 3a Edit. Interamericana. Rivas H. A. y González H. A. 1990. Saneamiento y reuso del agua residual en la cuenca del río Apatlaco. Coordinación de Tecnología Hidráulica Urbano Industrial. IMTA. Ronald M.A. y Bartha R. 1987. Microbial ecology: fundamentals and applications. 2a Edit. The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.