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A 4 °C, tres bacterias comerciales estándar para aguas residuales conservaron 1 %, 5 % y 20 % de la actividad que mostraron a 25 °C. Low Temperature (LT) Microbes, una mezcla de Bacillus seleccionada para el frío, conservó 92 %. El ensayo duró tres días, por duplicado, sobre la misma muestra de agua residual.
El tratamiento biológico se frena cuando el agua se enfría. Cuánto se frena suele responderse con una regla de manual: por cada 10 °C que baja el agua, la actividad biológica cae más o menos a la mitad. La regla es un promedio entre organismos que se comportan de manera muy distinta entre sí. Los datos de laboratorio que siguen muestran qué tan lejos de ese promedio puede quedar un producto real.
Una laguna de oxidación (o laguna de estabilización) es un estanque poco profundo donde bacterias y algas degradan la materia orgánica del agua residual con oxígeno del aire, del viento o de aireadores. Es uno de los sistemas de tratamiento más comunes en municipios medianos y pequeños de Latinoamérica porque cuesta poco construirlo y operarlo. Su punto débil es que toda la depuración depende de la velocidad de esas bacterias, y esa velocidad depende de la temperatura del agua.
En una PTAR con lodos activados pasa lo mismo, solo que el operador tiene más control: puede subir la aireación o cambiar el tiempo de retención. En una laguna no hay ese margen, y la temperatura del agua fija la velocidad de todo el proceso.
La bioaumentación es la práctica de agregar bacterias cultivadas y seleccionadas a una laguna o una PTAR para que la población biológica haga más de lo que la comunidad nativa consigue sola: digerir más DBO, sostener la nitrificación durante una carga de choque, evitar que se acumule lodo. Con el agua tibia, una laguna sana muchas veces no la necesita. Con el agua fría, la población nativa se frena y los organismos agregados cargan con una parte mayor del trabajo. Por eso la pregunta que hay que hacerle a cualquier producto de bioaumentación es cuánta de su actividad en agua tibia conserva a 4 °C. Que esté vivo a 4 °C es otra pregunta, y casi todos los productos la pasan.
Las velocidades de reacción biológica suben y bajan con la temperatura de forma más o menos exponencial. En ingeniería se escribe k(T) = k(20) × θ^(T − 20), donde θ es un coeficiente de temperatura. Los valores típicos de θ en diseño de aguas residuales van de 1.02 a 1.10 según el proceso; un valor de enseñanza común es 1.04 para el decaimiento y 1.07 para la tasa máxima de crecimiento [1]. Un θ de 1.07 significa que la velocidad se duplica o se reduce a la mitad cada 10 °C, que es lo mismo que decir Q10 = 2. Esa es la regla del "50 % por cada 10 °C" en forma de ingeniería.
El manual de diseño de lagunas de la EPA de Estados Unidos da la misma idea con dos números: un coeficiente de remoción de DBO de primer orden de 0.12 por día a 20 °C y de 0.06 por día a 1 °C para agua residual doméstica normal, y anota que las remociones de DBO5 son mucho menores en invierno y a comienzos de primavera que en verano [2]. El manual de solución de problemas en lagunas de la misma agencia ubica el rango de trabajo de la nitrificación entre 4 y 45 °C, con un óptimo de 35 a 42 °C, y advierte que las lagunas aireadas en climas fríos pueden tener la nitrificación inhibida [3].
Anclada a 25 °C, la regla predice cerca de 50 % de actividad a 15 °C, 25 % a 5 °C y 23 % a 4 °C. La línea gris punteada del primer gráfico es esa curva.
En buena parte de Latinoamérica ese frío no llega con el invierno sino con la altura. Las lagunas y PTAR de la sierra andina, desde la sabana de Bogotá y Quito hasta Cusco, Puno y El Alto, trabajan con agua fría los doce meses del año, y en el Cono Sur el invierno hace el resto. Para esas plantas la caída de actividad que describe la regla es la condición normal de operación.
Los puntos medidos vienen de un ensayo de laboratorio con LT Microbes, la mezcla seleccionada para el frío que Bio-Green Planet vende para tratar aguas residuales frías. Sus cepas son Bacillus subtilis, Bacillus pumilus, Bacillus licheniformis y Bacillus amyloliquefaciens, seleccionadas por su crecimiento a baja temperatura. Se probó junto a tres productos comerciales de bacterias para aguas residuales. Los productos de la competencia no se identifican aquí.
Ensayo 1, actividad a 4 °C. Una muestra de agua residual se dividió y se trató con cada producto. La actividad biológica se midió durante tres días a 4 °C (39 °F) y a 25 °C (77 °F), cada tratamiento por duplicado. El resultado de cada producto es su actividad a 4 °C expresada como porcentaje de su propia actividad a 25 °C, de modo que cada producto se compara consigo mismo y no con los demás.
Ensayo 2, reducción de DBO en dos aguas residuales industriales. Agua residual de lácteos y agua residual de pulpa y papel se mantuvieron a 4 °C (39 °F) y a 20 °C (68 °F), tratadas con LT Microbes o sin tratar, y la reducción de DBO en mg/L se leyó en los días 1, 2 y 3.
Ensayo 3, crecimiento en agua residual de procesamiento de carne y de pulpa y papel. Lecturas continuas a 4 °C y 20 °C durante unos tres días, tratado frente a control. Se resumen en el texto y no en un gráfico, porque las lecturas de origen son trazas continuas y no valores tabulados.
Los valores de las tablas son valores resumidos, redondeados a los 5 mg/L más cercanos. El conjunto completo de valores detrás de ambos gráficos está disponible a pedido; vea el final del artículo.
| Producto | Actividad a 4 °C, como % de la actividad a 25 °C | Predicción de la regla a 4 °C |
|---|---|---|
| Cepa comercial estándar A | 1 % | 23 % |
| Cepa comercial estándar B | 5 % | 23 % |
| Cepa comercial estándar C | 20 % | 23 % |
| Low Temperature (LT) Microbes | 92 % | 23 % |
Dos de los tres productos estándar quedaron muy por debajo de lo que la regla predice. Solo la cepa C se acercó. LT Microbes conservó casi toda su actividad de agua tibia.
Una laguna que presupuesta la mitad de la actividad por cada 10 °C y está dosificando la cepa A no está recibiendo una cuarta parte del rendimiento de verano a 4 °C. Está recibiendo casi nada. Una laguna que dosifica LT Microbes recibe a 4 °C más de lo que la regla promete a 15 °C. La regla describe a un mesófilo típico, no a un producto en particular, y la única forma de saber dónde queda un producto es medirlo.
Agua residual de lácteos, reducción de DBO en mg/L:
| Día 1 | Día 2 | Día 3 | |
|---|---|---|---|
| Sin tratar, 4 °C | 40 | 70 | 75 |
| Tratada, 4 °C | 150 | 250 | 350 |
| Sin tratar, 20 °C | 150 | 250 | 300 |
| Tratada, 20 °C | 200 | 340 | 400 |
Agua residual de pulpa y papel, reducción de DBO en mg/L:
| Día 1 | Día 2 | Día 3 | |
|---|---|---|---|
| Sin tratar, 4 °C | 20 | 25 | 45 |
| Tratada, 4 °C | 90 | 120 | 145 |
| Sin tratar, 20 °C | 30 | 45 | 50 |
| Tratada, 20 °C | 120 | 155 | 180 |
El frío casi detuvo la muestra de lácteos sin tratar. A 20 °C la población nativa removió 300 mg/L de DBO en tres días; a 4 °C removió 75. Es una pérdida de 75 % con una caída de 16 °C, cerca de lo que la regla predice para una población sin seleccionar.
La muestra tratada a 4 °C también superó a la muestra sin tratar a 20 °C. En lácteos, la tratada a 4 °C llegó a 350 mg/L el día 3 contra 300 mg/L de la no tratada a 20 °C. En pulpa y papel, la tratada a 4 °C llegó a 145 contra 50 de la no tratada a 20 °C. Agregar la población seleccionada para el frío hizo más por la remoción de DBO que 16 grados de temperatura.
La brecha entre 4 °C y 20 °C en la muestra con LT Microbes fue moderada: 350 contra 400 en lácteos, 145 contra 180 en pulpa y papel, entre 12 y 20 % menos a 4 °C. Eso coincide con el 92 % de actividad del ensayo 1 y queda muy lejos de la pérdida de 75 % de la muestra sin tratar.
Las curvas de crecimiento en agua residual de carne y de pulpa y papel contaron lo mismo: la línea tratada subió de forma sostenida a 4 °C y a 20 °C, mientras que el control a 4 °C se mantuvo casi plano el primer día y después subió despacio.
Si un proveedor dice que sus bacterias funcionan de 4 °C a 50 °C, pídale la actividad a 4 °C como porcentaje de la actividad a 20 o 25 °C. Dos de los tres productos estándar de este ensayo estaban vivos a 4 °C y casi sin hacer nada, y la afirmación de la etiqueta habría sido cierta para los dos.
La población sin tratar pierde la mayor parte de su capacidad por debajo de 10 °C. En la muestra de lácteos, la población nativa cayó a una cuarta parte de su remoción de DBO de agua tibia a 4 °C. Una laguna que depende solo de esa población arrastra lodo y nutrientes que se habrían digerido con agua tibia, y en una planta de altura, donde el agua no se calienta en ninguna época del año, ese material sigue acumulándose.
Incluso LT Microbes perdió 8 % de actividad y entre 12 y 20 % de remoción de DBO entre 20 °C y 4 °C. Lo que hace es mantener la laguna en el rango donde el tiempo de retención y la aireación pueden cubrir el resto.
LT Microbes justifica su costo por debajo de unos 15 °C de temperatura del agua. Por encima, una mezcla estándar como Wastewater Treat (WT) hace el mismo trabajo por menos, así que una planta con estaciones marcadas usa LT en los meses fríos y vuelve a WT cuando el agua sube, y una planta de altura con agua fría todo el año se queda con LT. La temperatura del agua, no el calendario, es el disparador.
El ensayo de actividad usó dos temperaturas, 4 °C y 25 °C. La línea de la regla en el gráfico 1 se traza a partir de la ecuación, no de mediciones en puntos intermedios. Una serie de laboratorio a 8, 12 y 16 °C llenaría ese vacío y está planificada.
La reducción de DBO en 72 horas de laboratorio compara tratamientos. No predice el rendimiento de una planta en régimen estable a lo largo de una temporada.
Fueron muestras de laboratorio tratadas por duplicado. Los resultados a escala real varían con el tiempo de retención, la aireación, la carga y la población existente. El único resultado de campo para poner al lado es una planta en clima frío que sostuvo 92 % de actividad biológica a 4 °C, documentada como caso de estudio.
Las cifras de DBO son valores resumidos redondeados a los 5 mg/L más cercanos. Las diferencias menores a 10 mg/L son ruido.
Los tres productos estándar son bacterias comerciales para aguas residuales y no se identifican. La comparación es entre estrategias de selección, uso general frente a selección para el frío, y no entre marcas.
Los resultados de laboratorio coinciden con la literatura revisada por pares sobre organismos psicrótrofos. Xu y colaboradores aislaron cepas tolerantes al frío de agua residual doméstica y reportaron cerca de 80 % de remoción de DQO a 4 °C, contra cerca de 10 % para cepas mesófilas individuales en las mismas condiciones; en un reactor piloto que operó con temperaturas estacionales de 0 a 30 °C, una DQO de entrada de 150 a 600 mg/L bajó a unos 40 mg/L con 10 horas de retención [4]. Es el mismo patrón del gráfico 1. Los organismos seleccionados para el frío siguen trabajando a temperaturas en las que los de uso general se detienen.
La contraparte de campo de estos números de laboratorio es una planta en clima frío que sostuvo 92 % de actividad biológica a 4 °C con LT Microbes, documentada con sus cifras de operación en el caso de estudio de bacterias para aguas residuales en frío. Si quiere los valores de laboratorio detrás de estos gráficos en un archivo CSV para su propio análisis, escríbanos e indique qué comparación le interesa.
Es un estanque poco profundo donde bacterias y algas degradan la materia orgánica del agua residual usando oxígeno que entra por la superficie, por el viento o por aireadores. El agua se retiene varios días o semanas mientras la DBO baja y los sólidos sedimentan. Funciona bien con agua tibia; con agua fría las bacterias se frenan y la laguna necesita más tiempo de retención o bacterias seleccionadas para el frío.
Es agregar bacterias cultivadas, por lo general cepas de Bacillus formadoras de esporas como Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus pumilus y Bacillus amyloliquefaciens, a una laguna o una PTAR para aumentar su capacidad biológica. Se diferencia de la bioestimulación, que alimenta con nutrientes a la población existente en lugar de agregar organismos nuevos. Las plantas la usan para recuperarse de un colapso, absorber cargas estacionales y sostener el tratamiento cuando el agua fría frena a la población nativa.
No. Describe a una población mesófila típica, la que domina la mayoría de las plantas con agua tibia. En este ensayo los productos individuales fueron de 1 % a 92 % de su actividad de agua tibia a 4 °C, así que la regla es un promedio y no una propiedad de ningún producto en particular.
Alrededor de 15 °C de temperatura del agua cuando baja, y de vuelta a una mezcla estándar entre 15 y 20 °C cuando sube. Por debajo de 15 °C la mayoría de las cepas de uso general pierde una parte grande de su actividad; por encima, una mezcla estándar hace el mismo trabajo por menos dinero. Una PTAR o laguna de altura que nunca supera los 15 °C se queda con la mezcla para frío todo el año.
Sí, y todo el año. En la sierra el agua residual entra fría los doce meses, así que la planta opera con la actividad reducida de forma continua. La diferencia práctica es que la planta de altura no vuelve a una mezcla estándar en primavera: dimensiona la dosis para frío y la mantiene.
Por lo general no. Están vivas y latentes, y por eso un proveedor puede decir sin mentir que un producto funciona desde 4 °C. Dos de los tres productos estándar de este ensayo estaban vivos y mostraron 5 % o menos de su actividad de 25 °C a 4 °C.
Entre 12 y 20 % en las dos aguas residuales industriales ensayadas (350 contra 400 mg/L en lácteos, 145 contra 180 mg/L en pulpa y papel en tres días). Las muestras sin tratar perdieron 75 % y 10 % respectivamente con la misma caída de temperatura.
No. Los ensayos se hicieron internamente sobre la mezcla de cepas de LT Microbes como parte de su desarrollo, con los productos de la competencia comprados en el mercado. El método, los números y sus limitaciones están descritos arriba para que los resultados puedan contrastarse con otros trabajos.
El conjunto de datos completo de este informe está disponible como archivo CSV para su propio análisis. Por favor, cite a Bio-Green Planet cuando lo utilice.
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