Breve introducción al concepto de "dinámica de población" con enfoque al tratamiento de aguas residuales.

1. TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES
Procesos unitarios de tratamiento secundario
Elaborado por: Miguel A. Pacheco

2. EL ECOSISTEMA MICROBIANO
• En el tratamiento de aguas residuales, como en la
naturaleza, no existen cultivos puros de microorganismos.
Más bien compite una mezcla de especies que sobreviven
dentro de los límites establecidos por el ambiente.
• La dinámica de población es el término con que se
describe el éxito de las diversas especies en competencia
en función del tiempo. La capacidad de crecimiento es
una medida del éxito de una población de especies.

3. El término “dinámica de población” hace referencia a cómo
el número de individuos cambia con el tiempo.
Se expresa en forma cuantitativa en términos de la masa
relativa de microorganismos.

4. FACTORES QUE GOBIERNAN LA
DINÁMICA DE POBLACIÓN
Sin lugar a duda, el factor principal que gobierna la
dinámica de las diversas poblaciones microbianas es la
competencia por el alimento.

7. El segundo factor más importante es la relación entre
depredador y presa.
El éxito relativo de un par de especies que compiten por el
mismo sustrato es función de su capacidad para metabolizar
el sustrato. La especie con más éxito metabolizará el sustrato
en forma más completa. Al hacerlo, obtendrá más energía
para la síntesis y, en consecuencia, alcanzará una masa
mayor.

8. LA DINÁMICA DE POBLACIÓN Y
LA ECUACIÓN DE MONOD
En el crecimiento bacteriano se pueden distinguir cuatro fases:
1. Fase de latencia o de retardo.
Existe un aparente reposo.
No hay cambio sustancial en el número de células.
Gran actividad metabólica, ya que las células producen las
enzimas necesarias para poder crecer (adaptación del
medio).
Aumento en el tamaño individual de las células, en el
contenido proteico, ADN y peso seco de las células
(maduración).

9. 2. Fase exponencial o logarítmica.
Es un periodo de duplicación celular, en donde el
crecimiento microbiológico se da en forma exponencial.
La rapidez o velocidad de crecimiento de las células
bacterianas se puede definir (para un reactor
intermitente) como sigue:
rg =
dX
dt
= μX

10. Donde 푟푔 es la velocidad de crecimiento de la biomasa (mg*L-
1*t-1), 휇 es la constante de velocidad específica de crecimiento
(푡−1) y 푋 es la concentración de la biomasa (mg*L-1).
dX
X
Xt dX
= μ dt X0
X
t
dt ln
= μ 0
Xt
X0
= μt
Xt
X0
= eμt
Xt = X0eμt
Suposiciones:
Ausencia de depredadores.
El espacio ecológico provee los alimentos suficientes de tal
manera que no hay una excesiva competencia por ellos.

11. Ante la dificultad de medir μ en forma directa en los cultivos
mixtos. Monod (1949) desarrolló una ecuación modelo en la
que se supone que la velocidad de uso de alimento, y en
consecuencia la tasa de producción de biomasa, está
limitada por la velocidad de las reacciones enzimáticas,
donde interviene el compuesto alimenticio que esté menos
disponible en relación a su menada.
μ =
μmS
Ks + S
Donde μm es la constante de velocidad específica máxima
de crecimiento (t-1), S es la concentración del alimento…

12. … limitante en la solución (mg * L-1), Ks es la concentración
del alimento limitante cuando μ = 0.5μm.
La relación entre la constante de velocidad de crecimiento
y la concentración del alimento limitante (S) es una función
hiperbólica.
Existe un gran parecido entre las ecuaciones anteriores y las
propuestas por L. Michaelis y M. Menten, sobre todo en la
definición del parámetro Ks, que en la cinética de Michaelis-
Menten se conoce como "constante de Michaelis-Menten”.

15. 3. Fase estacionaria.
Constante número de bacterias.
La tasa de crecimiento disminuye como consecuencia
del agotamiento de nutrientes esenciales y la
acumulación de productos tóxicos.
Las bacterias agotan los recursos disponibles para ellas.
4. Fase de muerte
Las bacterias se quedan sin nutrientes y mueren.

17. FILTROS DE GOTEO
Un filtro de goteo, o filtro percolador, consiste en un lecho
material grueso (llamado medio), como piedras, lajas o
materiales plásticos, sobre el que se aplica el agua residual.
A medida que el agua residual se infiltra por el lecho se
establece un crecimiento microbiano sobre la superficie del
medio, lo que forma una capa fija. El agua residual pasa
sobre la población microbiana estacionaría y permite el
contacto entre los microorganismos y los compuestos
orgánicos en el agua residual.

18. Los filtros de goteo NO SON principalmente un proceso de
filtración o separación física, como su nombre lo indica. Las
rocas de esos filtros tienen aberturas demasiado grandes y
no retienen sólidos.
Son un medio que proporciona una gran superficie en la
cual los microorganismo crecen en forma de un cieno sobre
las rocas al alimentarse de la materia orgánica.
Debido a los crecimientos excesivos de microorganismos, se
hace uso de un clarificador secundario o clarificador final.

19. LIMITACIONES DE LOS FILTROS DE
GOTEO
Si hay altas cargas de sustancias orgánicas, los crecimientos
de cieno pueden ser tan prolíferos que tapen los espacios
huecos entre las rocas, lo que causaría la inundación y el
fallo del sistema.
El volumen de los espacios huecos está limitado en un filtro
de roca, y restinga la circulación del aire y la cantidad de
oxígeno disponible para los microbios. A su vez, esta
limitación restinga la cantidad de agua residual que puede
pasar.

20. Para superar dichas limitaciones se hace uso de otros
materiales de relleno, tales como módulos de láminas de
plástico corrugado y anillos de plástico.
Dichos medios ofrecen mayores áreas superficiales para el
crecimiento de lodos y aumentan mucho las relaciones de
huecos, lo que permite mayor flujo de aire.
Además, los materiales son mucha más ligeros que las
piedras, así que los filtros de goteo pueden ser mucho más
altos (hasta 12 metros) y no presentan problemas
estructurales.

21. Cell Stone ®
Ceramic Corrugated
Packing.
Área superficial: 700
m2/m3 (tipo 700X)

22. Sulzer CY.
Área superficial: 700
m2/m3

23. Anillos Raschig de
Cerámica.
Área superficial:
364 m2/m3 (1/2 in)