Aspectos Generales. Parte 1

El problema de los efluentes industriales y cloacales está íntimamente relacionado con la contaminación ambiental, ya que constituye una de sus causas. La denominación de efluentes industriales se aplica a un conjunto muy variado de residuos que se obtienen como consecuencia de la actividad industrial.

Con el aumento de la población y las necesidades creadas se fueron multiplicando los problemas que ocasionan los residuos generales, que lógicamente van en aumento con aquélla. No solo es el incremento lógico de las aguas cloacales si no también de los residuos industriales, que puede decirse son el castigo pagado por una nación industrializada y la consecuencia de la civilización y su demanda por una alto standard de vida. Esto no es, por supuesto, un argumento contra la industrialización, sino una consecuencia obligada de ella que hay que reconocer, y que fundamentalmente proviene de la falta de previsión al no incluir en las inversiones iniciales la planta de tratamiento de efluentes.

Las industrias pueden generar residuos líquidos, sólidos o gaseosos. Aunque estos últimos ocasionan problemas graves como es el caso de gases muy tóxicos como el anhídrido sulfuroso o el ácido cianhídrico, los efluentes líquidos y sólidos son los que tienen mayor interés para la Microbiología Industrial, dadas las posibilidades que ofrecen los métodos biológicos para el tratamiento o aprovechamiento de los mismos.

Aunque existe una diferencia importante entre las aguas cloacales y los efluentes líquidos de la industria, el enfoque del problema es similar, ya que es necesario en ambos casos reducir a límites bien determinados el contenido de materia orgánica de los mismos antes de que esos líquidos puedan ser arrojados a una corriente de agua.

Las aguas cloacales o efluentes domiciliarios están constituidos por una mezcla muy variada de sustancias y de microorganismos.

Los efluentes industriales líquidos difieren de las aguas cloacales en que generalmente contienen muy pocos microorganismos y un número limitado de sustratos o a veces uno solo. Las diferencias de poder contaminante entre un efluente industrial y una agua cloacal, que están directamente relacionadas con el contenido de materia orgánica que es medido generalmente en términos de demanda de oxígeno biológica (DBO) o química (DQO), pueden ser muy considerables. Si comparamos valores conocidos de algunos efluentes, como una vinaza de destilería, suero de queserías o alpechín (un residuo de la industria del aceite de oliva) que presentan valores de DQO de 70,000, 35,000 y 150,000 mg l -1 respectivamente, con las aguas cloacales que suelen tener valores de 120 a 300 mg 1 -1 puede visualizarse la magnitud del problema que presentan algunos efluentes de la industria para su tratamiento.

En base a la cantidad de materia orgánica que se desecha, es interesante comparar el poder contaminante de una industria con el de una población en valores de número de habitantes equivalentes. Considerando que el poder contaminante de un habitante es de 70 g por día de DBO, y tomando como ejemplo un efluente que tenga 35 g 1 -1 de DBO como el suero de queso, con un volumen diario de ese efluente en una fábrica de queso de 1,000.000 litros, decimos que el grado de contaminación equivale a una población de 500,000 habitantes, lo que da una idea muy clara de la magnitud de la contaminación ambiental que puede producir una sola fábrica si no se utiliza ese efluente.

Las soluciones que pueden aplicarse para resolver el problema de la contaminación ambiental derivados de los efluentes industriales, que son los más perjudiciales, pueden ser: 1) Modificación de operaciones y procesos en las plantas industriales, compatibles con la producción y calidad de los productos a obtener, con el objeto de disminuir o minimizar los volúmenes de los efluentes o la concentración de materia orgánica en las descargas. 2) Tratamiento de los efluentes por métodos físicos, químicos y biológicos, con el fin de reducir la DBO de los mismos hasta los límites fijados por las reglamentaciones vigentes. 3) Aprovechamiento integral o parcial de los efluentes para recuperar productos valiosos, que ofrezcan alguna rentabilidad interesante. Como la primera solución no corresponde por lo general al campo de la Microbiología Industrial, trataremos solamente los aspectos relacionados con las otras dos en relación con los métodos biológicos.

Para tal fin, es conveniente considerar primero los aspectos fundamentales del tema para desarrollar después los métodos de tratamiento, la metodología para determinar la calidad del efluente, los métodos de aprovechamiento, y finalmente la estrategia general para encarar el problema de la contaminación.

Aspectos fundamentales del tratamiento de efluentes

Dada la complejidad que presentan muchos efluentes por su composición química y la presencia de organismos diversos en la mayor parte de los casos, es conveniente para el estudio racional del tratamiento considerar varios aspectos fundamentales como ser: a) Interacciones microbianas; b) Reacciones biológicas fundamentales; c) Estequiometría; y d) Relaciones cinéticas básicas. El conocimiento de estos aspectos en conjunto con la naturaleza de los sustratos presentes en los efluentes contribuyen en forma integrada al mejor diseñó del proceso y operación de los distintos tipos de tratamiento.

Interacciones misrobianas

Como ya se dijo, el objetivo primario del tratamiento de un efluente es eliminar la materia orgánica presente y esto se logra facilitando el desarrollo, en condiciones naturales, de poblaciones microbianas y no un microorganismo en especial. Aunque existe la posibilidad de una siembra seleccionada en ciertos casos de tratamientos, se debe considerar casi siempre que existen poblaciones mixtas o poblaciones microbianas heterogéneas que son términos equivalentes. Las poblaciones microbianas son usualmente una mezcla muy compleja de diferentes géneros y especies de bacterias, hongos y protozoarios. La concentración de los componentes biológicos de estas poblaciones está lejos de ser constante, ya que hay fluctuaciones en el tiempo que pueden ser muy drásticas. Aunque los procesos de tratamiento biológicos pueden tolerar ciertas variaciones existen límites a las mismas que producen fracasos en el proceso cuando son excedidas.

Las principales interacciones que ocurren entre las diversas especies microbianas son: 1) Competición, que se refiere, como el nombre lo indica, a una competencia en el uso de un determinado nutriente. 2) Predación, que ocurre cuando un organismo se alimenta de otro, cuando uno ingiere a otro como sucede en el caso de una ameba o un protozoario que ingiere a células de levaduras o de algas. 3) Parasitismo, cuando uno se aprovecha o vive a expensas de otro que generalmente muere. 4) Comensalismo, cuando dos organismos viven simultáneamente sin beneficiarse ni molestarse. 5) Mutualismo, cuando dos organismos se benefician mutuamente, y 6) Amensalismo, que se refiere al caso de la excreción de un factor, por parte de un organismo, que es dañino para el otro, como es el caso de la formación de un antibiótico por un hongo que inhibe el desarrollo de una bacteria.

Estudios a nivel de laboratorio de cultivos mixtos de Saccharomyces cerevisiae, Proteus vulgaris y Bacillus polymixa han demostrado que presentan 3 tipos de interacción simultánea con mutualismo y amensalismo entre las 2 especies de bacterias y también comensalismo entre la levadura que libera niacina y biotina y las especies bacterianas. Cuando al sistema se agrega una ameba, la Dictytostelium discoideum, tiene lugar también predación por parte de esta última. Este estudio experimental revela la complejidad que pueden presentar las interacciones biológicas en un proceso de tratamiento y la necesidad que existe del conocimiento de las mismas para un mejor control de dicho proceso.

Reacciones biológicas

Las reacciones biológicas más importantes son aerobias, anaerobias o fotosintéticas. En la Figura 27 se observa un esquema general de las actividades de síntesis y respiración que se producen por las actividades biológicas. Como se muestra en la figura hay fuentes nutritivas necesarias como C, O 2 , H2 , N2 , P , ya sea como orgánicas o inorgánicas que deben ser transportadas a la célula en forma soluble.

La energía debe suministrarse como energía contenida en compuestos orgánicos o como energía radiante de la luz solar. Una fracción de la energía es usada para la biosíntesis de biomasa y la restante es dispersada como calor.

Los microorganismos producen también productos de desecho que dependen de las especies consideradas y las condiciones ambientales. Los productos más deseables son gases como CO 2 , N 2 , O 2 y CH 4, que pueden ser fácilmente separados de la fase líquida. Otros gases como H2S NH3 y aminas son indeseables. Un requerimiento importante para la mayor parte de los procesos biológicos usados en el tratamiento de efluentes es la producción de microorganismos floculantes, que pueden ser fácilmente separados por medios físicos como sedimentación por gravedad, centrifugación o filtración. Desde el punto de vista de la polución el microorganismo debe considerarse como un producto no deseable. La facilidad de separación y la destrucción por autooxidación son también aspectos de gran importancia.

Las reacciones biológicas pueden influenciar las reacciones químicas en la fase líquida del medio ambiente. Por ejemplo el consumo de C02 por las algas durante el día puede aumentar el pH y esto ocasiona la fijación del SH2 como sulfuro.

Estequiometría

La estequiometría de las reacciones involucradas en los distintos tipos de tratamiento es altamente influenciada por las especies de microorganismos presentes, los compuestos existentes y las condiciones ambientales impuestas sobre el proceso. Las reacciones típicas son como sigue:

Estas reacciones pueden ocurrir al mismo tiempo, por ejemplo en una laguna: fotosíntesis en la parte superior, aerobiosis en la parte media y anaerobiosis en la inferior. Un inconveniente de las reacciones fotosintéticas es que el C inorgánico (CO2) es convertido en C orgánico, que es un agente de polución . Se pueden considerar ecuaciones de balance efectuando, un análisis elemental en el sistema orgánico y en el microorganismo producido. Un ejemplo para un proceso aerobio es dado abajo, en el cual el sustrato orgánico se considera que tiene la misma composición que la glucosa y el microorganismo la fórmula C5H7NO2 . Las reacciones biológicas serían:

Si se considera un coeficiente de rendimiento de 0.5 moles de microorganismo por mol de glucosa tendremos:

Dado que el tiempo de residencia de los organismos en los procesos biológicos es suficientemente largo es necesario considerar también una reacción de autooxidación o descomposición que no se considera nunca en procesos de fermentación normales.

Todas las reacciones son exotérmicas, pudiéndose calcular el calor liberado por las reacciones netas o por la muerte del organismo en base a los calores de combustión de los productos y reactantes. El cálculo del calor liberado es impor tante en los procesos de compost y digestión aerobia termofilica, en los cuales la concentración de materia destruída es suficientemente alta para que el calor liberado haga aumentarla temperatura.
Como ya vimos la relación estequiométrica entre el sustrato orgánico consumido y el microorganismo producido se expresa como un coeficiente de rendimiento

La aplicación de esta ecuación en tratamiento de efluentes se complica porque el sustrato es generalmente una mezcla compleja de compuestos orgánicos solubles e insolubles y la concentración microbiana es difícil de medir. La DBO o DQO son comunmente usadas como una medida de la concentración del sustrato. Una ventaja de los procesos anaerobios sobre los aerobios es que Y x/s es menor para los anaerobios, lo que resulta en una producción menor de desechos.

Fuente: htpp://www.science.oas.org