Procesos microbianos en biorreactores de membrana con lechos fluidificados en tratamientos de aguas residuales

Resumen

RESUMEN Hoy en día la mejora del tratamiento biológico de las aguas residuales es un objetivo clave para conseguir una mejor calidad de los efluentes. Con ello, se logra por un lado proteger el medio ambiente y por otro la reutilización de dichas aguas. En los últimos años, una alternativa emergente para mejorar el proceso biológico del tratamiento de aguas residuales se basa en la idea de combinar el crecimiento microbiano suspendido y el crecimiento adherido. En este sentido, se han propuesto diferentes combinaciones de tecnologías basadas en los procesos de biopelícula y membranas de filtración (biorreactores de membrana híbridos). Desde un punto de vista biológico, la incorporación de los procesos de biopelícula confiere diversas ventajas a los biorreactores de membrana (MBRs), tales como una mayor actividad de la biomasa, mayor resistencia de la biomasa a sustancias tóxicas o socks de carga orgánica y mejora de los procesos de nitrificación y desnitrificación, ya que la biopelícula favorece el desarrollo de bacterias de crecimiento lento, tales como las bacterias nitrificantes. Uno de los MBRs híbridos más novedosos es el biorreactor de membrana con lecho fluidificado móvil (MBMBR), descrito como una combinación de un biorreactor con lecho móvil y la tecnología de membranas. En esencia, el MBMBR se basa en la adición de material de soporte al reactor biológico del sistema MBR. El material de soporte se mueve libremente en el birreactor y poco a poco es colonizado por la biomasa, dando lugar al desarrollo de una biopelícula. El tratamiento biológico de las aguas residuales se nutre de la actividad metabólica de los microorganismos para la transformación de sustancias tóxicas, la degradación de contaminantes orgánicos y la eliminación de nutrientes de efluentes industriales y urbanos. En particular, el proceso de biodegradación comienza con la hidrólisis de macromoléculas, llevada a cabo por las enzimas extracelulares. Este proceso es considerado como un paso limitante en la degradación de la materia orgánica, ya que una importante fracción de la materia orgánica presente en el influente debe ser hidrolizada por enzimas antes de que ésta pueda ser utilizada metabólicamente por las bacterias. En consecuencia, la investigación de las enzimas extracelulares así como el estudio de la estructura y dinámica de las comunidades microbianas son considerados esenciales para entender los factores ambientales/operacionales que afectan a la eficiencia y estabilidad del proceso de depuración biológica, así como para desarrollar estrategias para mejorar la eliminación de contaminantes orgánicos y nutrientes. En este contexto, esta investigación se ha basado en la caracterización microbiológica de la biomasa suspendida (BS) y la biopelícula adherida (BA) desarrollada en un MBMBR, así como en el establecimiento de una adecuada correlación entre los parámetros operacionales y los datos biológicos. Los objetivos específicos de la presente Tesis Doctoral fueron: el análisis de las actividades enzimáticas hidrolíticas de los microorganismos (fosfatasa ácida, fosfatasa alcalina y ¿-glucosidasa), el estudio de la estructura y dinámica de la comunidad bacteriana total y las AOB (bacterias oxidadoras de amonio), y el estudio cuantitativo de las bacterias degradadoras de compuestos nitrogenados. Con objeto de establecer una relación entre las condiciones operacionales y los datos biológicos, se realizaron cuatro fases experimentales con un porcentaje de relleno (CFR) del 20% y del 35% (v/v), combinando dos concentraciones de sólidos en suspensión totales en el licor mezcla (STLM) ( 2.500 y 4.500 mg/L) y dos tiempos de retención hidráulico (TRH) (10 y 24h). Independientemente de las condiciones operacionales, las actividades hidrolíticas (fosfatasa ácida, fosfatasa alcalina y ¿-glucosidasa) fueron mayores en la biomasa suspendida que en la biopelícula adherida, posiblemente debido a una mayor difusión del sustrato en el licor mezcla. Se realizó un análisis de redundancia (RDA) con objeto de evaluar la relación entre las actividades enzimáticas y los parámetros operacionales: Demanda Química de Oxígeno (DQO), Demanda Biológica de Oxígeno (DBO5), Sólidos Volátiles en suspensión del Licor Mezcla (SVLM), Sólidos Totales de la Biopelícula (STB), Tiempo de Retención Hidráulica (TRH), pH, porcentaje de relleno (CFR) y temperatura. De acuerdo con los resultados obtenidos con el test de permutación de Monte Carlo, las condiciones de operación CFR, SVLM, STB y COD de nuestro sistema contribuyeron de forma significativa en la variación de las actividades enzimáticas en el MBMBR. Con objeto de acercarnos al conocimiento de la estructura y dinámica de la comunidad bacteriana total y de las bacterias oxidadoras de amonio (AOB), se utilizaron las metodologías de TGGE y Pirosecuenciación 454. Con el uso de estas técnicas moleculares se desveló que las estructuras de ambas poblaciones bacterianas (las totales y las AOB) eran similares tanto en la biomasa suspendida como en la biopelícula adherida. Esto podría estar relacionado con el movimiento libre y continuo de los soportes dentro del biorreactor, favoreciendo de este modo, las interacciones entre ambas fracciones (BS y BA). Otra de las posibles hipótesis podría estar basada en el tiempo de residencia de los soportes dentro del biorreactor. Para lograr una mayor comprensión de los principios ecológicos que caracterizan la comunidad microbiana se calcularon diferentes índices teóricos de riqueza, organización funcional, dinámica y diversidad en la comunidad bacteriana total y las AOB. Estos índices describieron un alto grado de diversidad y una óptima organización funcional de la comunidad bacteriana total. Por el contrario, las poblaciones de AOB se caracterizaron como más especializadas y probablemente más frágiles frente a cambios en las condiciones ambientales/operacionales. El uso de las técnicas moleculares TGGE y Pirosecuencación 454 demostraró que los filos predominantes en ambos tipos de muestras (BS y BA) y en todos los experimentos fueron Proteobacteria (clases ¿ y ß Proteobacteria) y Actinobacteria (clases Acidimicrobiia y Actinobacteria), seguido de Bacterioidetes, Chloroflexi y Firmicutes. En cuanto a la composición taxonómica de las poblaciones bacterianas oxidadoras de amonio (clase ß-proteobacterias), las bandas secuenciadas de TGGE se relacionaron filogenéticamente con el género Nitrosomonas (N. oligotropha/ureae, N. cryotolerans y N. europea). De igual modo se detectaron mediante Pirosecuenciación 454 diversos miembros relacionados con la familia Nitrosomonadaceae (del orden Nitrosomonadales) aunque no se pudieron clasificar a nivel de género. El análisis estadístico multivariante indicó que los cambios en SVLM, STB, temperatura, CFR y BOD5 afectaban directamente a la estructura y la dinámica de la comunidad bacteriana total y de las AOB en ambos tipos de muestra (BS y BA). Por último, se evaluó mediante PCR cuantitativa a tiempo real (qPCR) la abundancia de los genes diana de bacterias totales (16s rRNA), bacterias oxidadoras de amonio (16s rRNA y amoA de AOB), bacterias oxidadoras de nitrito (16s rRNA de Nitrospira, NOB) y bacterias desnitrificantes (nosZ). Los resultados obtenidos mostraron que la abundancia y dinámica de bacterias totales, AOB, NOB y desnitrificantes fueron bastante similares en ambas fracciones (BS y BA), sugiriendo que la biomasa suspendida y la biopelícula adherida podrían jugar un papel igual de importante en el proceso de nitrificación y desnitrificación en el MBMBR. El análisis RDA y el test de permutación de Monte Carlo confirmaron un efecto significativo de VSLM, STB, DQO, temperatura y CFR en los valores de abundancia de bacterias totales, AOB, NOB y desnitrificantes en ambos tipos de muestras (BS y BA).