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BLOQUE I: INTRODUCCIÓN Tema 8: Procesos biológicos de tratamientos de aguas residuales

Tecnología de Medio Ambiente y Sostenibilidad I Grado en Tecnologías Industriales


ÍNDICE

 Fundamentos biológicos  Procesos biológicos


1. Fundamentos biológicos  Fundamentos biológicos  Procesos biológicos

 Aspectos de las bacterias Las bacterias tienen un papel importante en todas las áreas relacionadas con el ambiente:

suelo

atmósfera

agua

Reducir nº y hacerlas inofensivas

Bacterias patógenas enfermedades

Tratamiento de agua

Muchos procesos ambientales tienen lugar gracias a las bacterias: nitrificación (nitrobacter, nitrosomas) o fijación de N2 (azotobacterias)


1. Fundamentos biológicos  Fundamentos biológicos  Procesos biológicos

 Aspectos de las bacterias Una clasificación simple del mundo microbiano está basado en el orden decreciente de tamaño y de su composición celular.

 Los virus carecen de estructura celular estando constituidos por un doble filamento de material genético y una cubierta de proteína. No tienen capacidad para sintetizar compuestos nuevos pero invaden las células del cuerpo vivo y se reproducen a su costa. Representan un gran peligro para la salud de las personas.

Pueden sobrevivir hasta 41 días a 20ºC tanto en aguas limpias como residuales.  Las bacterias son monocélulas, procariotas en donde el núcleo se mueve por el citoplasma. Son dominantes en el tratamiento biológico de las aguas residuales, aprovechando por ello sus capacidades en la depuración de aguas residuales o

bien en la reducción biológica de la contaminación de las aguas subterráneas.


1. Fundamentos biológicos  Aspectos de las bacterias

 Fundamentos biológicos  Procesos biológicos

Mundo Microbiano

Microorganismos

Estructura celular

Animales

Gusanos Helmintos

Unicelular o multicelular

Plantas

Acuáticas, Macrofitos, Musgos Plantas de semilla, Helechos

Estructura celular bien desarrollada: Eucariotas

Protistas superiores

Hongos,Algas, Protozoos Rotíferos, Crustáceos

Protistas inferiores

Bacterias Algas verdiazules Cianobacterias

Virus

Abundantes

Estructura celular primitiva: procariotas

Sin estructura celular


1. Fundamentos biológicos  Fundamentos biológicos  Procesos biológicos

 Aspectos de las bacterias  Son organismos unicelulares dominantes en: − Tratamiento biológico de aguas residuales − Sistemas ecológicos

Corrientes de agua Aguas estancadas Suelos Atmósfera

Aerobios requieren O2) Anaerobios no requieren O2)

Alrededor del 80 % de la célula bacteriana es agua:  El agua actúa como fuente de alimento  Las condiciones físicas: T, pH, [sal], P, … determinan el crecimiento.  Tienen un tamaño que varía entre 0.5-5 µm de largo y 0.3-1.5 µm de ancho.

Características morfológicas

Forma general cocos barra espirilo

disposición cadenas racimos

locomoción flagelos

Formación esporas


1. Fundamentos biológicos  Fundamentos

 Aspectos de las bacterias

Características fisiológicas

biológicos  Procesos biológicos

Compatible con O2

Pigmentación de células

aerobias anaerobias

Facultativas Aerobias/ anaerobias

patogenicidad

Ganancia de energía

respiración

fermentación

fotosíntesis


1. Fundamentos biológicos  Aspectos de las bacterias: Composición

 Fundamentos biológicos

 Algunas fórmulas empíricas de una bacteria son:

 Procesos biológicos

C5H7NO2

C42H100N11O13P

cuya composición en base seca es: 50% C; 20% O, 15% N, 8% H, 3% P; menos de 1% en cada uno de los metales: S, K, Ca, Fe, Mg  La demanda teórica de oxígeno de 1 g de C5H7NO2 es1.42 g y la de C42H100N11O13P es 1.71 g  Las bacterias se categorizan por su nutrición:

Fuente de carbono

Inorgánico CO2

orgánico

autótrofas heterótrofas

Fuente de energía

Luz solar Reacción

fotótrofas

quimiótrofas

Donador de e-

Inorgánico CO2

orgánico

litótrofas organótrofas


1. Fundamentos biológicos  Fundamentos biológicos  Procesos biológicos

 Aspectos de las bacterias: Clasificación por alimentación (ejemplos)  Las bacterias en las plantas verdes son fotolitótrofas: − fuente de energía: luz solar − donante de electrones: compuestos inorgánicos  Las bacterias en la depuración de aguas residuales son quimiolitótrofas: − fuente de energía: reacción de oxidación NO2-

NO3- + 2e-

NH4+

NO2- + 6e-

− donantes de electrones: compuestos inorgánicos  Las bacterias de los animales y la mayoría de los microorganismos son quimioorganótrofas: − fuente de energía: reacción de oxidación − donantes de electrones: compuestos orgánicos


1. Fundamentos biológicos  Aspectos de las bacterias: Clasificación según la temperatura

 Fundamentos biológicos

 Las bacterias en las plantas verdes son fotolitótrofas: − fuente de energía: luz solar

 Procesos biológicos

− donante de electrones: compuestos inorgánicos

Intervalo Temperatura(ºC)

Óptimo

Tipos

Ejemplos

0-30 30-40 40-70 70-80

< 20 37 >50 >65

Psicotrofos Psicrófilos Mesófilos Termófilos Termófilos extremos

Bacterias marinas Galionella E.Coli Bacilos stearotermófilos Bacilos, clostridios

Microorganismos 6.5-7.5 óptimo para crecer

Presión

Concentración sales

barófilos halófilos

pH

4.0-10.0 límite máximo

1 acidófilas (S2-→SO42-) alcantarillas, daños a hormigón


1. Fundamentos biológicos  Fundamentos biológicos  Procesos biológicos

 Aspectos de las bacterias: Reproducción  Las bacterias se reproducen por división celular (fisión binaria).  La tasa de crecimiento de la población microbiana es: dN/dt = k N

N = nº de bacterias en el tiempo t K constante de la velocidad de crecimiento de orden uno  Integrando:

ln(N/N0) = k t N0 es la concentración de la población normal Si N = 2N0, t = td tiempo de doblado o periodo de generación k td = ln 2;

k = (ln 2)/td

ln N

N = N0 2t/td

Ln2/td

ln N = ln N0 + t/td ln 2

ln N0 t


1. Fundamentos biológicos  Fundamentos biológicos  Procesos biológicos

 Aspectos de las bacterias: Reproducción Microorganismos

Temperatura (ºC)

Tiempo de generación (h)

40 40 37 37

0,35 0,43 0,58 12

25

10,6

Algas Chlorella pyrenoidosa Asterionella formosa

25 20

7,75 9,6

Protozoos Giardia lamblia

37

18

Hongos Monilinia fructicola

25

30

Bacterias Escherichia coli Bacilus subtilis Clostridium Botulinus Mycobacterium tuberculosis Anabaena Cilíndrica


1. Fundamentos biológicos  Fundamentos

 Bacterias indicadoras

Bacterias indicadoras

biológicos  Procesos biológicos

Estreptococos fecales, EF

Coliformes fecales, CF

Escherichia coli Enterobacter Citrobacter

CF/EF

< 0.7

Contaminación animal

Coliformes totales, CT

>4

Contaminación humana

Clostridium perfringen


1. Fundamentos biológicos  Fundamentos biológicos  Procesos biológicos

 Aspectos de las bacterias: Bacterias indicadoras  La diferencia entre coliformes totales y coliformes fecales es su capacidad o incapacidad para crecer a 45ºC.  En aguas potables se emplea el método del número más probable (NMP) o el método de filtro de membrana (FM).  Estándares de importancia establecidos en la UE:

Parámetro Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales Clostridia sulfareductores

NMP, UE < 1/100 ml <1414 1/100 ml ≤ 1/100 ml ≤ 1/20 ml


2. Procesos biológicos  Fundamentos biológicos

 Procesos biológicos

Los organismos que tienen como fuente de energía las reacciones de oxidaciónreducción y como fuente de carbono el CO2 pueden clasificarse respecto a las características de su metabolismo y a sus necesidades de oxígeno molecular.

Existen organismos que generan energía (ATP) cuando transportan los electrones desde un donante hasta un aceptor presentando un metabolismo respiratorio. La fermentación es un proceso de producción de energía menos eficiente que la

respiración. Esto implica que los microorganismos fermentativos provocan un menor crecimiento y de producción celular que los heterótrofos respiratorios.


2. Procesos biológicos  Fundamentos biológicos

 Procesos

Los organismos que se basan en la respiración aerobia (metabolismo respiratorio), utilizan oxígeno molecular como aceptor de electrones. Si tienen suficiente

oxígeno

molecular

satisfacen

sus

necesidades

energéticas.

Se

denominan organismos aerobios obligados.

biológicos

En ausencia de oxígeno (procesos anaerobios), los compuestos inorgánicos nitritos, nitratos, sulfatos, y CO2 actúan de aceptores de electrones para ciertos organismos respiratorios, denominándose procesos anóxicos. Los organismos que generan energía por fermentación y existen en un medio sin oxígeno se denominan anaerobios obligados. Si generan energía y crecen en presencia o ausencia de oxígeno molecular se denominan organismos anaerobios facultativos. Estos a su vez pueden ser

anaerobios facultativos puros (cambian de fermentativo a respiratorio según haya o no oxígeno).


2. Procesos biológicos  Fundamentos biológicos

 Procesos

La mayoría de los procesos bacterianos son:  aerobios: es un proceso de respiración en el que el oxígeno molecular libre actúa como aceptor final de electrones:

biológicos

materia orgánica + O2 → biomasa + CO2 + H2O + NH4-+NO3-+NO2 anaerobios: es un proceso de respiración que no requiere oxígeno molecular libre. materia orgánica + H2O + nutrientes → biomasa + CH4+ CO2 +NH3+H2S+calor  anóxicos: es aquel en el que los compuestos orgánicos actúan como aceptor final de electrones


2. Procesos biológicos  Fundamentos

 Proceso quimioheterótrofo

biológicos

 Procesos

Productos finales

biológicos

Energía Carbono orgánico

Fase endógena

Síntesis celular Residuo orgánico

Nutrientes


2. Procesos biológicos  Fundamentos

 Proceso quimioautótrofo

biológicos

 Procesos biológicos

Compuestos orgánicos reducidos

Compuestos inorgánicos reducidos Energía

CO2

Fase endógena

Síntesis celular

Nutrientes

Productos finales

Residuo orgánico


2. Procesos biológicos  Proceso fotoautótrofo

 Fundamentos biológicos

 Procesos

Fotosíntesis

Productos finales

biológicos

Energía Fase endógena

CO2

Síntesis celular

Nutrientes

Residuo orgánico


2. Procesos biológicos

biológicos

dependiendo de en qué punto de la curva de crecimiento se considere, dado que será distinta el número o la masa de sustrato metabolizado.

 Las bacterias se reproducen por división celular, tiempo de duplicado o tiempo de regeneración.  Aclimatación: es una fase de retardo en el que las bacterias se aclimatan al medio. No es de crecimiento. Puede prolongarse hasta 6 semanas.  Las distintas fases de la curva de crecimiento se representan en la gráfica siguiente.

fase exponencial

 Procesos

unidad de volumen o bien por la masa celular por unidad de volumen,

fase aceleración

biológicos

 La población bacteriana se puede expresar bien por el número de células por

fase retardo

 Fundamentos

tiempo


2. Procesos biológicos

biológicos

 Fase estacionaria:

la población permanece constante dado que la tasa de

crecimiento = tasa de mortandad. El alimento (sustrato) escasea, la densidad de

población es alta y se acumulan los productos tóxicos.  Fase endógena: consumo propio de energía, así como de células muertas. La tasa de mortandad es mayor que la tasa de crecimiento

fase exponencial

 Procesos

tiempo de doblado está entre 20-60 minutos. Tiene una tasa de división máxima.

fase aceleración

biológicos

 Fase exponencial: las bacterias se reproducen a sus tiempos de regeneración. El

fase retardo

 Fundamentos

tiempo

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