“Sondeando” el problema

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Los problemas causados por bacterias filamentosas en el tratamiento de lodos activos, como pueden ser el foaming (formación de espumas) y el bulking  pueden abordarse mediante el uso de coagulantes y PAC. En la EDAR alemana de Hetlingen se están utilizando sondas genéticas desde 2004 para monitorizar los niveles de bacterias y reducir el gasto de estos aditivos.

[Traducción del artículo de Heike Weissmann (Hetlingen Wastewater Treatment Plant) y de la Dra. Claudia Beimfohr (vermicon AG), “Probing the problem”, publicado en Water 21, agosto 2004]

En muchas plantas de tratamiento de aguas residuales de lodos activos la formación de espumas es un grave problema. El más común es la formación de una capa de lodo relativamente estable en el tanque de lodos activados y,  si no hay suficiente decantación, también en el filtro final. En cuanto al almacenamiento de lodo, se pueden observar capas de lodos flotantes similares en el concentrador de lodos y en los colectores de almacenamiento. La fuerte tendencia a la flotación causa problemas en el funcionamiento de los tanques de aireación y en la estabilización de los lodos en los digestores. Estos problemas son causados ​​por el crecimiento excesivo de ciertos microorganismos, bien conocidos por los técnicos de explotación.

Los organismos que son capaces de salvar las deficiencias del sustrato a través de la formación de compuestos de almacenamiento intracelulares son más competitivos en dichas condiciones. Muchas de las bacterias filamentosas que se encuentran en la formación de espumas actualmente cumplen con estos requisitos, especialmente Microthrix parvicella, la más célebre bacteria del “foaming’, pero también Nostocoida limicola Tipo II y actinomicetos tipo nocardia, así como bacterias filamentosas tipos 0041/0675, 1851 y 0092. En casos desfavorables y cuando coinciden una serie de circunstancias durante el proceso de depuración, el índice de lodos puede aumentar en paralelo al desarrollo y formación  de espuma, es decir se produce el fenómeno que conocemos como bulking (lodo almacenado en la superficie del tanque debido a la acción ascendente provocada por burbujas de gas procedentes de la aireación). Los lodos bulking se caracterizan por ser  lodos activos con un índice de volumen de fangos (SVI)> 150 ml/g y donde los organismos filamentosos son visibles mediante la observación microscópica, y conforman un fenómeno bien conocido en el procesamiento de lodos activados. Algunos organismo típicos de los lodos bulking incluyen Sphaerotilus spp, Tipo 021N, Thiothrix spp y Haliscomenobacter hydrossis.

Identificación de organismos filamentosos

Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales examinan regularmente los lodos activos mediante microscopía convencional de campo claro y, para un ojo bien entrenado es posible, por lo general, determinar la identidad de las bacterias basándose sólo en la observación microscópica de la morfología celular. Sin embargo, diversas bacterias filamentosas completamente desconocidas no pueden ser identificadas mediante esta técnica (Eikelboom y Geurkink). A menudo la distinción visual es muy difícil y algunos filamentos sólo puede ser identificados trabajosamente usando métodos de tinción. Además, muchos comienzan a crecer a partir de insignificantes células individuales que no pueden ser detectadas ópticamente, por su tamaño o por estar insertas en el flóculo. En consecuencia, estos métodos no pueden ser considerados como una herramienta de detección temprana ni como un sistema de alerta rápida de las alteraciones microbiológicas en una planta de tratamiento. Del mismo modo, la identificación mediante métodos de cultivo resulta también inadecuada – los lodos activados forman una biocenosis compleja y la mayoría de bacterias filamentosas no se puede cultivar, o es extremadamente difícil y requiere mucho tiempo (semanas)- su cultivo.

Figura 1: Técnica de sonda genética VIT para la detección de bacterias

Actualmente, el uso de sondas genéticas como tecnología de biología molecular, un método simple y considerablemente más útil ya que puede utlizarse directamente en una muestra de aguas residual y permite la identificación rápida y específica de una simple bacteria. La evaluación de las condiciones de funcionamiento ya no depende de la presencia de organismos sensibles y fácilmente diferenciados en la imagen microscópica. En las primeras etapas de crecimiento excesivo, pueden detectarse y monitorizarse simples bacterias que acostumbran a pasar desapercibidas, e incluso organismos atrapados en los flóculos y enmascarados en la observación microscópica. Las sondas genéticas son trozos cortos de ADN sintéticos que se acoplan a su ADN complementario con un colorante fluorescente. Las sondas genéticas están ‘programadas’ para reconocer únicamente una especie específica, género o grupo de bacterias. Para entenderlo podemos utilizar como comparación el concepto llave/cerradura;  las sondas genéticas (llaves) están diseñadas para unirse en el interior de las bacterias únicamente en el sitio indicado (cerradura). El sitio de destino o sitio indicado es la información genética de las bacterias pertinentes, que no ha cambiado durante millones de años y es, por lo tanto, característica de esa bacteria específica. Las sondas genéticas se añaden en forma de una solución a la muestra seca de lodo activo problema, penetran en las células de las bacterias y se unen en el interior a sus sitios de destino. Cualquier sonda genética que no quede unida se deshecha en los siguientes lavados. El colorante fluorescente, que ahora está dentro de las células, puede estimularse utilizando la luz de una lámpara de vapor de mercurio lo que  provoca que las células se iluminen en rojo o verde bajo un microscopio de fluorescencia, permitiendo así su identificación específica (Figura 1). Vale la pena resaltar que este método también indica la vitalidad de las células identificadas. Las células muertas no se iluminan, por lo que las medidas preventivas tomadas se pueden verificar en el microscopio.

vermicon AG (Munich, Alemania) ha desarrollado los kits de análisis VIT®-kits (vermicon-Identification-Technology), basados en este método de análisis de biología molecular, para su uso en plantas de tratamiento de aguas residuales. La técnica es tan simple que el personal de planta puede llevarlas a cabo y analizar los resultados sin tener ningún conocimiento previo de biología molecular. Actualmente están disponibles seis kits de diferentes para la detección de bacterias filamentosas en las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales e industriales: Microthrix parvicella, Haliscomenobacter hydrossis, actinomycetos nocardioformos Tipo 1851, Tipo 021N / Thiothrix y Nostocoida limicola II. Los filamentos se pueden identificar rápida y específicamente en la muestra de lodo activo, incluso cuando sólo hay una pequeña población de bacterias. Usando un índice especial (clave VIT®) también se puede cuantificar el nivel de bacterias: la cantidad de bacterias se clasifica desde un valor 0 (no detectado) a un valor 5 (excesivo) y permite un seguimiento puntual y fiable de la población.

Microthrix parvicella identificada con VIT®-Microthrix

Gracias a la reducción del índice de volumen de lodos, la Pinneberg Watewater Association dirige una enorme planta de tratamiento de aguas residuales con una capacidad ampliable de 860.000 PE, en Hetlingen, Schleswig-Holstein, Alemania. El grado medio de utilización de la capacidad de la planta es de aproximadamente 720,000 PE. Con el fin de cumplir con los requisitos legales, la planta fue ampliada para la eliminación de nutrientes. Los tanques de lodos activados se utilizan simultáneamente para la nitrificación y desnitrificación. Después de una primera transición a una carga de lodos más débil en 1996, ocurrió un severo aumento de bulking con índice de lodos  de> 200 ml/g. En los años siguientes el índice fluctuó en torno a 150 ml/g y regularmente alcanzó valores muy superiores durante el invierno. Utilizando microscopía de campo claro se identificó la Microthrix parvicella como la bacteria filamentosa dominante junto a Tipo 021N y el Tipo 0092. La determinación clásica de los filamentos categorizaba el nivel como muy alto. Las medidas operativas adoptadas para reducir el índice de lodo, como el aumento de la carga de lodo, la mejora del suministro de oxígeno, el ajuste de los gradientes de sustrato o la adición de compuestos de amonio alcalinos como coagulantes, no alcanzaron el éxito esperado, ni servían para ser aplicadas en otras plantas de tratamiento con problemas similares.

En muchas plantas de tratamiento de aguas residuales se consiguen mejorar las propiedades de los lodos sedimentarios y disminuir la tendencia a la formación de espuma mediante el uso de cloruros de polihidroxialuminio, generalmente conocidos como PAC. En la planta de tratamiento en Hetlingen se llevaron a cabo experimentos con PAC en un reactor a escala de laboratorio y se logró una reducción del índice de lodos de 270 ml/g hasta aproximadamente 150 ml/g en sólo unos pocos días. Acto seguido, se le aplicó una dosis de una solución de PAC al tanque de aireación principal. En dos semanas el índice bajó de 170 ml/g hasta aproximadamente 100 ml/g, y, con dosis adicionales, hasta un nivel estable aún más bajo (Kleinworth et al).

El uso de sondas genéticas

Aunque se conseguían grandes mejoras  con respecto al índice de volumen de lodos al dosificar PAC en la basa de aireación, la desventaja de este método es el alto precio de los productos PAC comparado al de los coagulantes convencionales, tales como sulfato de hierro o cloruro de hierro. Los costos de operación de la planta aumentaron debido al mayor precio del producto y también debido a la dosificación generalmente más alta que se aplicaba. Las mejoras significativas en las características del lodo aparecen generalmente con un nivel de dosificación que se encuentra por encima del nivel requerido para la precipitación química de los fosfatos.

Respecto a los costes de operación, aplicar una dosis constante no es una solución óptima y por lo tanto debería evitarse.

En consecuencia, la planta de tratamiento de aguas residuales Hetlingen comenzó a monitorizar periódicamente el lodo activo mediante la técnica de sondas genéticas y los productos vermicon AG. Con el kit VIT®-Microthrix, se descubrió que la cantidad de este organismo (definidos por la clave VIT®)  estaba correlacionado con el índice de volumen de lodos de la planta. De hecho, la cantidad detectada de población de Microthrix parvicella aumentó justo antes de que aumentara el índice de volumen de lodos. Además, se pudo monitorizar que el crecimiento de Microthrix siempre se inicia desde dentro de los flóculos de lodo. Con microscopía de campo claro es prácticamente imposible  detectar los filamentos dentro de los flóculos, mientras que las sondas de genéticas permiten una identificación clara y la cuantificación de incluso pequeñas cantidades de filamentos en flóculos compactos. Combinado con el uso del PAC se ha demostrado que el sistema funciona con rapidez y eficacia: la determinación periódica de los niveles Microthrix parvicella se puede utilizar como un sistema de alerta temprana eficaz para evitar un aumento en el índice de volumen de lodos (Fig. 2 ).

Figura 2: La progresión del índice de lodos, el nivel de Microthrix y la dosis PAC en la planta de tratamiento de aguas residuales Hetlingen.

Como puede verse en la figura 2, la adición de PAC condujo a una reducción tangible en el nivel de Microthrix parvicella. Si no se aplica la dosis, después de un breve lapso de tiempo, la cantidad de Microthrix vuelve a aumentar.

Como se ha descrito más arriba, a partir de lodos envejecidos durante quince días, es suficiente un análisis por semana para establecer un sistema de alerta y detección temprana. Gracias a la vigilancia específica que se consigue utilizando VIT-Microthrix en los últimos dos años, los productos PAC de alto costo podrán ser utilizados sólo esporádicamente como una solución temporal, en lugar de permanente. Por lo tanto, la planta podría reducir significativamente los costes de explotación, proporcionando la justificación de la inversión en la realización de los análisis de biología molecular.

Bibliografía:

• Amann, RI; Ludwig, W and Schleifer, KH (1995): Phylogenetic identification and in situ detection of individual microbial cells without cultivation. Microbiol. Rev, p143- 169.
• Eikelboom, DH and Geurkink, B. (2002): Filamentous microorganisms observed in industrial sludge plants. Water Sci Technol 46 (1-2), p535-542.
• Kleinworth, R; Puchner, J; Thielebein, G.; Weißmann, H. (2003): Blähschlammbe- kämpfung- Erfahrungen des Betreibers einer Großkläranlage, Preprints 5. GVC- Abwasser-Kongress, 22-24.09.2003 in Bremen, Hrsg. GVC-VDI-Gesellschaft, Düsseldorf, S. 45-52.

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