Control microbiológico operacional en el tratamiento de aguas residuales urbanas mediante biorreactores de membrana sumergida (MBR)

Resumen

Resumen La tecnología de biorreactores de membrana (MBR) está siendo cada vez más utilizada en el tratamiento de aguas residuales urbanas e industriales, debido a sus ventajas técnicas y operacionales tales como menores necesidades de espacio, menor producción de fango o producción de efluentes de alta calidad con eliminación de bacterias y virus. Sin embargo, también presenta desventajas como el mayor consumo energético o problemas de ensuciamiento de las membranas. Al igual que en los sistemas convencionales de fangos activos (CASP), los microorganismos son la base esencial del proceso de depuración biológica de aguas residuales en los sistemas MBR, presentando una red trófica compuesta por organismos autótrofos y heterótrofos, degradadores de materia orgánica, dando como resultado aumento de la biomasa, transformación y eliminación de nutrientes como nitrógeno y fósforo. Este conjunto de degradadores sirven a su vez de presas a organismos heterótrofos como protozoos y metazoos, los cuales se alimentan de bacterias libres, floculantes y filamentosas, protozoos, algas y hongos, participando en la clarificación del efluente, reduciendo el contenido en materia orgánica, participando en el reciclaje de nutrientes y procesos de biofloculación, formación de biopelículas y eliminando microorganismos patógenos. La diversidad y tipología del conjunto de organismos implicados en el proceso depurador puede proporcionar una valiosa información sobre el estado ecológico de la biomasa, razón por la que el presente trabajo está orientado a evaluar el papel asesor de los principales grupos de microorganismos indicadores del fango activo (protistas, metazoos y bacterias filamentosas) sobre la calidad del efluente, estabilidad de la biomasa y características del proceso en sistemas MBR. Para ello se identifican y enumerarán los principales componentes de la microfauna presentes en el fango activo de dos sistemas MBR aplicados al tratamiento de aguas residuales urbanas, se estudia la dinámica poblacional en función del tipo de proceso (microfiltración y ultrafiltración) y las variables tiempo de retención celular (SRT), tiempo de retención hidráulico (HRT), temperatura y carga contaminante, se analiza la correlación existente entre las características del proceso y la microbiota analizada y se determina el papel bioindicador de los protozoos y metazoos en la tecnología MBR en base a la calidad del efluente. Para determinar la calidad biológica del fango activo se analiza la abundancia de protozoos, metazoos y bacterias filamentosas, así como los siguientes índices: Índice Biótico del Fango (SBI), Índice de Margalef (Mg), Índice de Shannon-Weaver, Índice de Simpson, el Índice de Filamentos (IF), y la Técnica Simplificada para el Recuento de Filamentos (STFC), así como su relación con la variables ambientales, operacionales y de calidad del efluente. Para el estudio se han empleado dos instalaciones experimentales MBR a escala industrial, las cuales han trabajado en paralelo y se han alimentado con la misma agua residual urbana pretratada convencionalmente en la EDAR ¿ Sur de Granada. El sistema MBR-MF empleado en la investigación estaba equipado con membranas planas para microfiltración de 0,4 ¿m de tamaño nominal del poro. En cambio, el sistema MBR-UF estaba equipado con membranas de fibra hueca para ultrafiltración de 0,034 ¿m de tamaño nominal del poro. Ambos sistemas trabajaron con SRT de 20, 25, 30 y 35 días y HRT de 32, 35 y 40 horas. Durante el estudio se consideraron cuatro rangos de temperatura (< 15 ºC, 16-20 ºC, 21-25 ºC y > 26 ºC) y varios estadíos de carga orgánica entre 0,4 ¿ 1,1 Kg DQO/m3 y cuatro rangos de concentración de MLSS (0-5, 6-10, 11-15 y > 16 g/L). Ambos sistemas presentaron la misma configuración en pre-desnitrificación, con un biorreactor anóxico, un biorreactor aireado donde tiene lugar la degradación de la materia orgánica y la transformación de amonio y un biorreactor de membranas en el que tiene lugar la separación del fango activo y el efluente mediante membranas. Bajo las condiciones operacionales y ambientales de trabajo se presentó una gran densidad y diversidad de protozoos (amebas desnudas y testadas, flagelados, ciliados y suctores, metazoos (rotíferos y nematodos), bacterias (libres, formadoras de flóculos, filamentosas), algas y diatomeas, los cuales componen el ecosistema creado en los sistemas MBR analizados. La microfauna desarrollada ha sido equilibrada y muy diversa permitiendo una elevada eliminación de materia orgánica lo cual repercute en un buen rendimiento en la depuración y en la calidad del efluente tratado con valores medios de DBO5 y DQO del efluente especialmente bajos. El tipo de tecnología empleada no influyó sobre las poblaciones estudiadas, siendo las variables temperatura y carga orgánica las más influyentes en la densidad y diversidad poblacional. Bajo las condiciones operacionales del estudio destacó la contante alta densidad de bacterias filamentosas, principalmente representada por el grupo nocardiforme, lo que no afectó al proceso salvo por pérdidas puntuales de biomasa. Indicadores como el IF y STFC, no son apropiados para predecir problemas causados por filamentosas en sistemas MBR, siendo más adecuado un seguimiento de especies concretas. Los resultados muestran que los índices usados para evaluar la calidad del fango activo, tales como el SBI, índice de Margalef, índice de Shannon y el índice de Simpson, reflejan la riqueza, biodiversidad y equidad de un ecosistema y no son del todo aplicables a los sistemas MBR, ya que no tienen en cuenta las variables ambientales y operacionales. Cada grupo de protozoos presentan una importancia a la hora de evaluar un sistema de tratamiento de aguas residuales (CASP o MBR), por lo que una adaptación de los índices existentes, especialmente el SBI, o el uso de grupos específicos para analizar in situ el estado del proceso son necesarios, estos índices son escasos y la información existente crea confusiones y no está del todo claro el papel de cada grupo de microorganismos en el proceso depurador acontecido en el sistema MBR. El grupo de ciliados reptantes (grupo positivo en el SBI) y sésiles pierde valor indicador en los sistemas MBR, mientras que los pequeños flagelados (grupo negativo en el SBI) y amebas desnudas (no incluida en el SBI) mostraron asociación positiva con la calidad del efluente en los sistemas MBR y asociados a condiciones de nitrificación. Los ciliados libres y carnívoros presentaron baja abundancia y fueron observados ocasionalmente en los sistemas MBR. Las amebas testadas presentan igual valor indicador que el presentado en CASP, mientras que el grupo de suctores y rotíferos presentaron gran valor indicador tanto de funcionamiento del proceso como en la calidad del efluente. Es destacable el potencial valor indicador de algas y diatomeas sobre la calidad del efluente. El uso y seguimiento de determinados microorganismos indicadores en el sistema MBR puede suponer varias ventajas como son la predicción de problemas de esponjamiento del fango y formación de espuma, anticipar problemas en la transformación y eliminación de nutrientes y descensos en la capacidad de eliminación de materia orgánica. ABSTRACT Membrane bioreactor (MBR) technology is becoming steadily more used for treating urban and industrial waste waters due to its technical and operational advantages as well as the need for less space and lower production of sludge or production of high-quality effluents with the elimination of bacteria and viruses. However, it also presents disadvantages such as the greater energy consumption and problems of membrane fouling. As in systems of conventional activated sludge processes (CASP), the microorganisms are the essential base of the biological purification process for waste waters in MBR systems, presenting a compound trophic network composed of autotropic and heterotrophic organisms. Autotrophic degraders of organic matter result in greater biomass as well as the transformation and elimination of nutrients such as nitrogen and phosphorus. These degraders in turn serve as prey for heterotrophic organisms such as protozoa, algae, and fungus, these participating in the clarification of the effluent by reducing the organic-matter content, recycling of nutrients, triggering bioflocculation processes, forming biofilms, and eliminating pathogenic microorganisms. The diversity and typology of the group of organisms involved in the purification process can provide valuable information on the ecological state of the biomass. Thus, the present work is directed at evaluating the role of the main microorganism indicator groups of activated sludge (protists, metazoans, and filamentous bacteria) on the quality of the effluent, stability of the biomass, and characteristics of the process in MBR systems. For this, a study was made of the main components of the microfauna present in the activated sludge of two MBR systems applied to the treatment of urban sewage. The population dynamics was studied according to the type of process (microfiltration and ultrafiltration) and the time variables of cell retention (SRT), hydraulic retention time (HRT), temperature, and contaminant load, analysing the correlation between the characteristics of the process and the microbiota analysed as well as determining the bioindicator role of protozoans and metazoans in the MBR technology based on the quality of the effluent. The biological quality of the activated sludge was determined by analysing the abundance of protozoans, metazoans, and filamentous bacteria, as well as the following indices: sludge biotic index (SBI), Margalef index (Mg), Shannon-Weaver index, Simpson index, Filament index (IF), and the simplified technique of filamentous count (STFC), as well as its relation to environmental variables, operational factors, and effluent quality. For this study, two experimental MBR facilities were used at an industrial scale, which had worked in parallel and had been fed with the same conventionally pretreated urban sewage in the EDAR-Sur de Granada. The MBR-MF system used in the study was equipped with microfiltration membranes of 0.4 ¿m nominal pore size, while the MBR-UF system used hollow-fibre ultrafiltration membranes of 0.034 ¿m nominal pore size. Both systems worked with SRT of 20, 25, 30, and 35 days and an HRT of 32, 35, and 40 h. During the study, four temperature ranges were considered (< 15ºC, 16-20ºC, 21-25ºC and > 26ºC) and several stages of organic load of between 0.4 ¿ 1.1 Kg DQO/m3 and four concentration ranges of MLSS (0-5, 6-10, 11-15, and > 16 g/L). Both systems presented the same configuration in pre-denitrification, with an anoxic bioreactor, an aerated bioreactor in which the organic matter was degraded and the ammonium was transformed, together with a membrane bioreactor in which the activated sludge was separated from the effluent by membranes. Under the operational and environmental conditions used, there was a great density and diversity of protozoans (naked and testate amoebas), flagellates, ciliates, suctors, metazoans (rotifers and nematodes), bacteria (free, floc-forming and filamentous), algae, and diatoms, which made up the ecosystem created in the MBR systems analysed. The microfauna developed was balanced and very diverse, enabling a high degree of elimination of organic matter, resulting in good performance of the purification and in the quality of the effluent treated with especially low mean values of DBO5 and DQO of the effluent. The type of technology used did not affect the populations studied, the variables temperature and organic load having the most influence on the population density and diversity. Under the operational conditions used, there was a striking density of filamentous bacteria, represented primarily by the group nocardiforme, which did not affect the process, except for occasional losses of biomass. Indicators such as IF and STFC were not appropriate to predict problems caused by filamentous bacteria in the MBR system, monitoring certain species being more suitable. The results show that the indices used to evaluate the quality of the activated sludge, such as SBI, the Margalef index, the Shannon index, and the Simpson index, reflected the richness, biodiversity, and balance of an ecosystem and are not entirely applicable to MBR systems, since they do not take into account the environmental or operational variables. Each group of protozoans bear an importance when a waste-water treatment system (CASP or MBR) is to be evaluated. Thus, an adaptation of the existing indices, especially SBI, or the use of specific groups to analyse in situ the state of the process become necessary. These indices are scarce and the existing information creates confusion, as the role of each group of microorganisms is not completely clear in the purification process occurring in the MBR system. The group of crawling ciliates (positive group in the SBI system) and sessile ones lose value as indicators in MBR systems, while the small flagellates (negative group in the SBI system) and the naked amoebas (not included in the SBI system) showed a positive association with the quality of effluent in the MBR systems and associated with nitrification conditions. Free-swimming carnivorous ciliates had low abundance and were occasionally found in the MBR systems. The testate amoebas presented the same indicator value as in CASP, while the group of suctors and rotifers reached a high indicator value both in functioning of the process as well as in the quality of the effluent. The potential value of the algae and diatoms as indicators of effluent quality was striking. The use and monitoring of certain microorganisms as indicators in the MBR system may offer several advantages such as the prediction of problems of bulking and foaming, the anticipation of problems in the transformation, and elimination of nutrients and losses in the capacity to eliminate organic matter.