López Martín, Andrea
Ormad Melero, Maria Peña (dir.) ; Mosteo Abad, Rosa (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2018
Abstract: El agua en España es uno de los recursos naturales que, por su carácter limitado y variable, tanto en cantidad como en calidad, debería protegerse con especial intensidad. Conscientes de esta necesidad y en consonancia con la Estrategia Europea 2020, el programa operativo de crecimiento sostenible 2014-2020, diseñado por el Ministerio de Hacienda y Administraciones Públicas, establece como uno de los ejes prioritarios de actuación la mejora de la calidad de las aguas naturales.
Actualmente y tras la publicación, hace ya más de 25 años, de la Directiva 91/271/CEE, sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas, y una vez alcanzadas las exigencias mínimas establecidas, es necesaria la publicación de disposiciones y normativas más severas, acordes a las pautas establecidas en la Directiva 2000/60/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de octubre de 2000, conocida como la Directiva Marco del Agua (DMA), en relación a la protección de las aguas. Generalmente, al carecer de requerimiento legal, las instalaciones de depuración no incluyen procesos de desinfección que reduzcan la carga microbiológica de los efluentes. En consecuencia, estos agentes se incorporan al medio ambiente a través del vertido directo o indirecto de estas instalaciones o a través de los fangos en los que han sido concentrados y que son utilizados como abono en prácticas agrícolas. En general, la contaminación presente en las aguas residuales puede limitar su vertido al cauce, que debe cumplir con lo establecido en el Real Decreto 670/2013, así como el uso posterior que se puede hacer de las aguas receptoras, sobre todo en abastecimiento a poblaciones y uso recreacional (baño y otros), debiéndose cumplir principalmente con lo establecido en el Real Decreto 817/2015.
Por otro lado, en relación a los fangos producidos en una Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR), en el marco de una economía circular, la consideración de éstos como un producto susceptible de su utilización, ha transformado la tradicional visión del mismo, cuyo único destino era la disposición en vertedero. El Plan Nacional de Lodos de Depuradoras de Aguas Residuales recoge la disposición en vertedero como última opción de destino para este producto, siendo la primera alternativa su aplicación al suelo (Lasheras, 2011). Como consecuencia, de la aplicación de la Ley 22/2011, de 28 de julio, de residuos y suelos contaminados, los fangos de EDAR que se tratan en la propia instalación y que se aplican al suelo se considerarán un “subproducto” y no un “residuo”. El fango generado en las EDARs se utiliza habitualmente en agricultura, ya que presenta una importante fuente de nutrientes y materia orgánica para el suelo. En la actualidad, la aplicación de fangos en agricultura debe cumplir el Real Decreto 1310/1990, de 29 de octubre, por el que se regula la utilización de lodos de depuración en el sector agrario, en el que se establecen límites para metales pero no de gérmenes patógenos. Conscientes de que esta aplicación al suelo puede suponer un riesgo sanitario y ambiental, se publica la Orden AAA/1072/2013, de 7 de junio, sobre utilización de lodos de depuración en el sector agrario, cuyo objetivo es establecer la información que una EDAR debe proporcionar en relación con el tratamiento aplicado a sus fangos y además debe informar sobre la concentración de Salmonella spp., Escherichia coli y otros contaminantes químicos inorgánicos y orgánicos presentes en el mismo.
Dada la naturaleza de los fangos de EDARs, éstos suelen someterse a procesos de estabilización para reducir su capacidad de fermentación, el olor y los microorganismos potencialmente patógenos. En la actualidad existen diferentes tecnologías para conseguir estos objetivos. En concreto, destaca la aplicación de los tratamientos biológicos, muy utilizados sobre todo en EDARs situadas en medianos y grandes núcleos de población. Son escasos los estudios sobre comportamiento y evolución de microorganismos realizados a escala real, tanto en la línea de aguas como en la de fangos, debido fundamentalmente a la dificultad habitual de acceso a instalaciones y toma de muestras. Además, resulta apropiado facilitar un enfoque integrado del control de las emisiones de las plantas de tratamiento de depuración en el agua y en el suelo, que otorgue una protección al medio ambiente en su conjunto, de manera que se evite la transferencia de contaminación de un elemento o recurso natural a otro.
El objetivo de esta Tesis Doctoral es investigar el comportamiento y evolución de microorganismos potencialmente patógenos presentes en aguas residuales urbanas a través de las instalaciones de depuración seleccionadas, con el fin de evaluar los diferentes procesos existentes, lo que permita establecer criterios de selección de las mejores tecnologías disponibles, reduciendo su presencia tanto en efluentes como en fangos, potenciando así su posible aprovechamiento agrícola, con el fin último de reducir riesgos para la salud pública y el medio ambiente.
El objetivo principal se puede desglosar en tres líneas principales de estudio y en los correspondientes objetivos secundarios:
1. Investigar el efecto que cada proceso y/o etapa existente, dentro de las líneas de tratamiento de las EDARs seleccionadas, ejerce sobre la reducción de microorganismos y en último término, sobre la calidad de efluentes y de fangos.
1.1. Estudiar el comportamiento, distribución y evolución de cada microorganismo dentro de la línea de aguas y de fangos de cada EDAR seleccionada e identificar los procesos responsables de la reducción o concentración de bacterias, así como las principales variables influyentes, dentro del sistema de tratamiento integral de una EDAR.
1.2. Establecer la relación existente entre los procesos de tratamiento aplicados y la calidad microbiológica de efluentes y fangos de salida de planta.
1.3. Evaluar el impacto de los efluentes en el cauce receptor.
1.4. Evaluar la idoneidad del control de parámetros indicadores microbiológicos y metodologías de diagnóstico de calidad, de aguas y fangos.
2. Investigar a escala piloto, la influencia que la aplicación de diferentes procesos de digestión biológica de fangos de EDARs (aerobia y anaerobia, tanto en condiciones mesofílicas como termofílicas), ejercen sobre la composición microbiológica del fango.
2.1. Estudiar la evolución y comportamiento de bacterias indicadoras y microorganismos patógenos durante el tratamiento biológico anaerobio de fangos de EDARs, en condiciones mesofílicas y termofílicas.
2.2. Estudiar la evolución y comportamiento de bacterias indicadoras y microorganismos patógenos durante el tratamiento biológico aerobio termofílico de fangos de EDARs.
2.3. Determinar el grado de cumplimiento de los criterios de calidad microbiológica de los fangos de salida de EDAR en función del tratamiento biológico aplicado y sus condiciones de operación.
3. Conocer la evolución temporal de la contaminación microbiológica de fangos tras su aplicación en terrenos agrícolas y evaluar las principales variables influyentes en la calidad microbiológica del suelo.
Las conclusiones generales de esta Tesis Doctoral son las siguientes:
• La contaminación microbiológica presente en el influente de todas las depuradoras es del mismo orden de magnitud, independientemente del origen de las aguas residuales brutas, de la estación del año considerada o del caudal de tratamiento; se cuantifican entre 105-108 UFC/100ml, en función del microorganismo considerado. En general, existe una mayor concentración de bacterias Gram negativas que de Gram positivas. Se detecta de forma sistemática coliformes totales, E.coli, Pseudomonas sp., Staphylococcus aureus, Enterococcus sp. y Clostridium perfringens, y de manera puntual Salmonella spp.
• Las bacterias analizadas presentan una evolución similar a lo largo de la línea de aguas, a través de los tratamientos aplicados; en consecuencia se considera adecuada la utilización del indicador E.coli (por su origen fecal presente en gran concentración), como parámetro de control de referencia de la calidad bacteriológica de las aguas residuales y en consecuencia de la eficacia del tratamiento.
• La decantación primaria, no tiene efecto destacable sobre la eliminación de bacterias en las aguas residuales, en las instalaciones estudiadas.
• Tras un proceso biológico mediante cultivo en suspensión, la decantación secundaria produce un efecto destacable sobre la eliminación bacteriana de las aguas, hecho no detectado cuando la decantación se realiza tras un sistema de filtros percoladores.
• El tratamiento terciario mediante lagunaje reduce la concentración microbiológica del agua hasta cuatro órdenes de magnitud, alcanzando las mayores eliminaciones a mayor tiempo de exposición del agua a la radiación solar. Por el contrario, el humedal estudiado aumenta la contaminación bacteriana hasta en un orden de magnitud.
• Si una EDAR consta de tratamiento primario y secundario en la línea de aguas, la contaminación microbiológica experimenta una reducción global en el proceso de depuración, de entre 1-2 órdenes de magnitud (medida en términos de concentración). Si además también incluye tratamiento terciario mediante lagunaje, la reducción global puede ser de hasta 5 ó 7 siete órdenes de magnitud.
• Debido a la gran contaminación bacteriana ya existente en el tramo medio de ríos de la cuenca hidrográfica del Ebro, el impacto de los vertidos urbanos estudiados sobre los mismos se considera prácticamente despreciable, por ser la concentración microbiológica vertida de la misma magnitud que la presente en los cauces receptores.
• Al no existir una metodología estandarizada ni criterios unificados para el análisis microbiológico en fangos, se realiza un estudio para evaluar la idoneidad de diferentes métodos de análisis; se concluye que los resultados de los análisis realizados mediante los métodos de recuento en placa (vertido en placa, placa difusa y filtración en membrana) no son comparables con los obtenidos mediante el método del NMP. Se aconseja la utilización del método de filtración en membrana tanto la cuantificación de bajas como de altas concentraciones bacteriológicas en muestras sólidas o semi sólidas.
• La concentración microbiológica en muestras de fangos procedentes de la decantación secundaria varía entre 103-106 UFC/ml en función del microorganismo analizado. No se observan diferencias destacables entre los rangos de concentración de bacterias Gram positivas y bacterias Gram negativas. En los fangos frescos se detecta de forma sistemática coliformes totales, E.coli, Pseudomonas sp., Staphylococcus aureus y Enterococcus sp.; de manera puntual aparece Salmonella spp. en alguna de las muestras analizadas.
• Los tratamientos de digestión realizados a escala piloto, consiguen una reducción de la contaminación microbiológica presente en fangos de hasta 3 órdenes de magnitud, cuando se utiliza un proceso anaerobio mesófilico y de hasta 5 órdenes de magnitud, cuando se aplica un proceso termofílico en condiciones tanto aerobias o anaerobias.
• En el intervalo estudiado (entre 10 y 20 días en el proceso anaerobio mesofílico y entre 5 y 15 días en los termofílicos, aerobio y anaerobio), el TRH del fango en los digestores no influye en la reducción de Enterococcus sp. y E.coli.
• La reducción de las bacterias objeto de estudio varía en función del tratamiento de digestión aplicado. En concreto, la mayor eliminación de Enterococcus sp. se obtiene mediante el tratamiento anaerobio termofílico y la mayor eliminación de E.coli se obtiene mediante el tratamiento aerobio termofílico. En consecuencia, se recomienda la utilización de ambos indicadores para evaluar la eficacia de un proceso de digestión.
• Los dos procesos de digestión termofílicos estudiados (aerobio y anaerobio), considerados “tratamientos avanzados” en los documentos de trabajo elaborados por la Unión Europea, consiguen la higienización del fango, en términos de concentración de E.coli y de ausencia de Salmonella spp. teniendo en cuenta los criterios establecidos en el documento más reciente, publicado en 2010.
• Las condiciones de almacenamiento del fango tratado influyen en la contaminación microbiológica presente. Aunque la concentración de las bacterias Gram positivas no se ve afectada, la concentración de las Gram negativas, disminuye al aumentar el tiempo de almacenamiento.
• El fango tratado procedente de un proceso de depuración de aguas residuales urbanas mejora las características agronómicas de los suelos, tanto de naturaleza arcillosa como arenosa, aumentando la concentración de materia orgánica y nutrientes.
• La aplicación del fango al suelo no supone un empeoramiento de la calidad microbiológica del terreno, teniendo en cuenta los indicadores bacterianos objeto de este trabajo.
Abstract (other lang.):
Actualmente y tras la publicación, hace ya más de 25 años, de la Directiva 91/271/CEE, sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas, y una vez alcanzadas las exigencias mínimas establecidas, es necesaria la publicación de disposiciones y normativas más severas, acordes a las pautas establecidas en la Directiva 2000/60/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de octubre de 2000, conocida como la Directiva Marco del Agua (DMA), en relación a la protección de las aguas. Generalmente, al carecer de requerimiento legal, las instalaciones de depuración no incluyen procesos de desinfección que reduzcan la carga microbiológica de los efluentes. En consecuencia, estos agentes se incorporan al medio ambiente a través del vertido directo o indirecto de estas instalaciones o a través de los fangos en los que han sido concentrados y que son utilizados como abono en prácticas agrícolas. En general, la contaminación presente en las aguas residuales puede limitar su vertido al cauce, que debe cumplir con lo establecido en el Real Decreto 670/2013, así como el uso posterior que se puede hacer de las aguas receptoras, sobre todo en abastecimiento a poblaciones y uso recreacional (baño y otros), debiéndose cumplir principalmente con lo establecido en el Real Decreto 817/2015.
Por otro lado, en relación a los fangos producidos en una Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR), en el marco de una economía circular, la consideración de éstos como un producto susceptible de su utilización, ha transformado la tradicional visión del mismo, cuyo único destino era la disposición en vertedero. El Plan Nacional de Lodos de Depuradoras de Aguas Residuales recoge la disposición en vertedero como última opción de destino para este producto, siendo la primera alternativa su aplicación al suelo (Lasheras, 2011). Como consecuencia, de la aplicación de la Ley 22/2011, de 28 de julio, de residuos y suelos contaminados, los fangos de EDAR que se tratan en la propia instalación y que se aplican al suelo se considerarán un “subproducto” y no un “residuo”. El fango generado en las EDARs se utiliza habitualmente en agricultura, ya que presenta una importante fuente de nutrientes y materia orgánica para el suelo. En la actualidad, la aplicación de fangos en agricultura debe cumplir el Real Decreto 1310/1990, de 29 de octubre, por el que se regula la utilización de lodos de depuración en el sector agrario, en el que se establecen límites para metales pero no de gérmenes patógenos. Conscientes de que esta aplicación al suelo puede suponer un riesgo sanitario y ambiental, se publica la Orden AAA/1072/2013, de 7 de junio, sobre utilización de lodos de depuración en el sector agrario, cuyo objetivo es establecer la información que una EDAR debe proporcionar en relación con el tratamiento aplicado a sus fangos y además debe informar sobre la concentración de Salmonella spp., Escherichia coli y otros contaminantes químicos inorgánicos y orgánicos presentes en el mismo.
Dada la naturaleza de los fangos de EDARs, éstos suelen someterse a procesos de estabilización para reducir su capacidad de fermentación, el olor y los microorganismos potencialmente patógenos. En la actualidad existen diferentes tecnologías para conseguir estos objetivos. En concreto, destaca la aplicación de los tratamientos biológicos, muy utilizados sobre todo en EDARs situadas en medianos y grandes núcleos de población. Son escasos los estudios sobre comportamiento y evolución de microorganismos realizados a escala real, tanto en la línea de aguas como en la de fangos, debido fundamentalmente a la dificultad habitual de acceso a instalaciones y toma de muestras. Además, resulta apropiado facilitar un enfoque integrado del control de las emisiones de las plantas de tratamiento de depuración en el agua y en el suelo, que otorgue una protección al medio ambiente en su conjunto, de manera que se evite la transferencia de contaminación de un elemento o recurso natural a otro.
El objetivo de esta Tesis Doctoral es investigar el comportamiento y evolución de microorganismos potencialmente patógenos presentes en aguas residuales urbanas a través de las instalaciones de depuración seleccionadas, con el fin de evaluar los diferentes procesos existentes, lo que permita establecer criterios de selección de las mejores tecnologías disponibles, reduciendo su presencia tanto en efluentes como en fangos, potenciando así su posible aprovechamiento agrícola, con el fin último de reducir riesgos para la salud pública y el medio ambiente.
El objetivo principal se puede desglosar en tres líneas principales de estudio y en los correspondientes objetivos secundarios:
1. Investigar el efecto que cada proceso y/o etapa existente, dentro de las líneas de tratamiento de las EDARs seleccionadas, ejerce sobre la reducción de microorganismos y en último término, sobre la calidad de efluentes y de fangos.
1.1. Estudiar el comportamiento, distribución y evolución de cada microorganismo dentro de la línea de aguas y de fangos de cada EDAR seleccionada e identificar los procesos responsables de la reducción o concentración de bacterias, así como las principales variables influyentes, dentro del sistema de tratamiento integral de una EDAR.
1.2. Establecer la relación existente entre los procesos de tratamiento aplicados y la calidad microbiológica de efluentes y fangos de salida de planta.
1.3. Evaluar el impacto de los efluentes en el cauce receptor.
1.4. Evaluar la idoneidad del control de parámetros indicadores microbiológicos y metodologías de diagnóstico de calidad, de aguas y fangos.
2. Investigar a escala piloto, la influencia que la aplicación de diferentes procesos de digestión biológica de fangos de EDARs (aerobia y anaerobia, tanto en condiciones mesofílicas como termofílicas), ejercen sobre la composición microbiológica del fango.
2.1. Estudiar la evolución y comportamiento de bacterias indicadoras y microorganismos patógenos durante el tratamiento biológico anaerobio de fangos de EDARs, en condiciones mesofílicas y termofílicas.
2.2. Estudiar la evolución y comportamiento de bacterias indicadoras y microorganismos patógenos durante el tratamiento biológico aerobio termofílico de fangos de EDARs.
2.3. Determinar el grado de cumplimiento de los criterios de calidad microbiológica de los fangos de salida de EDAR en función del tratamiento biológico aplicado y sus condiciones de operación.
3. Conocer la evolución temporal de la contaminación microbiológica de fangos tras su aplicación en terrenos agrícolas y evaluar las principales variables influyentes en la calidad microbiológica del suelo.
Las conclusiones generales de esta Tesis Doctoral son las siguientes:
• La contaminación microbiológica presente en el influente de todas las depuradoras es del mismo orden de magnitud, independientemente del origen de las aguas residuales brutas, de la estación del año considerada o del caudal de tratamiento; se cuantifican entre 105-108 UFC/100ml, en función del microorganismo considerado. En general, existe una mayor concentración de bacterias Gram negativas que de Gram positivas. Se detecta de forma sistemática coliformes totales, E.coli, Pseudomonas sp., Staphylococcus aureus, Enterococcus sp. y Clostridium perfringens, y de manera puntual Salmonella spp.
• Las bacterias analizadas presentan una evolución similar a lo largo de la línea de aguas, a través de los tratamientos aplicados; en consecuencia se considera adecuada la utilización del indicador E.coli (por su origen fecal presente en gran concentración), como parámetro de control de referencia de la calidad bacteriológica de las aguas residuales y en consecuencia de la eficacia del tratamiento.
• La decantación primaria, no tiene efecto destacable sobre la eliminación de bacterias en las aguas residuales, en las instalaciones estudiadas.
• Tras un proceso biológico mediante cultivo en suspensión, la decantación secundaria produce un efecto destacable sobre la eliminación bacteriana de las aguas, hecho no detectado cuando la decantación se realiza tras un sistema de filtros percoladores.
• El tratamiento terciario mediante lagunaje reduce la concentración microbiológica del agua hasta cuatro órdenes de magnitud, alcanzando las mayores eliminaciones a mayor tiempo de exposición del agua a la radiación solar. Por el contrario, el humedal estudiado aumenta la contaminación bacteriana hasta en un orden de magnitud.
• Si una EDAR consta de tratamiento primario y secundario en la línea de aguas, la contaminación microbiológica experimenta una reducción global en el proceso de depuración, de entre 1-2 órdenes de magnitud (medida en términos de concentración). Si además también incluye tratamiento terciario mediante lagunaje, la reducción global puede ser de hasta 5 ó 7 siete órdenes de magnitud.
• Debido a la gran contaminación bacteriana ya existente en el tramo medio de ríos de la cuenca hidrográfica del Ebro, el impacto de los vertidos urbanos estudiados sobre los mismos se considera prácticamente despreciable, por ser la concentración microbiológica vertida de la misma magnitud que la presente en los cauces receptores.
• Al no existir una metodología estandarizada ni criterios unificados para el análisis microbiológico en fangos, se realiza un estudio para evaluar la idoneidad de diferentes métodos de análisis; se concluye que los resultados de los análisis realizados mediante los métodos de recuento en placa (vertido en placa, placa difusa y filtración en membrana) no son comparables con los obtenidos mediante el método del NMP. Se aconseja la utilización del método de filtración en membrana tanto la cuantificación de bajas como de altas concentraciones bacteriológicas en muestras sólidas o semi sólidas.
• La concentración microbiológica en muestras de fangos procedentes de la decantación secundaria varía entre 103-106 UFC/ml en función del microorganismo analizado. No se observan diferencias destacables entre los rangos de concentración de bacterias Gram positivas y bacterias Gram negativas. En los fangos frescos se detecta de forma sistemática coliformes totales, E.coli, Pseudomonas sp., Staphylococcus aureus y Enterococcus sp.; de manera puntual aparece Salmonella spp. en alguna de las muestras analizadas.
• Los tratamientos de digestión realizados a escala piloto, consiguen una reducción de la contaminación microbiológica presente en fangos de hasta 3 órdenes de magnitud, cuando se utiliza un proceso anaerobio mesófilico y de hasta 5 órdenes de magnitud, cuando se aplica un proceso termofílico en condiciones tanto aerobias o anaerobias.
• En el intervalo estudiado (entre 10 y 20 días en el proceso anaerobio mesofílico y entre 5 y 15 días en los termofílicos, aerobio y anaerobio), el TRH del fango en los digestores no influye en la reducción de Enterococcus sp. y E.coli.
• La reducción de las bacterias objeto de estudio varía en función del tratamiento de digestión aplicado. En concreto, la mayor eliminación de Enterococcus sp. se obtiene mediante el tratamiento anaerobio termofílico y la mayor eliminación de E.coli se obtiene mediante el tratamiento aerobio termofílico. En consecuencia, se recomienda la utilización de ambos indicadores para evaluar la eficacia de un proceso de digestión.
• Los dos procesos de digestión termofílicos estudiados (aerobio y anaerobio), considerados “tratamientos avanzados” en los documentos de trabajo elaborados por la Unión Europea, consiguen la higienización del fango, en términos de concentración de E.coli y de ausencia de Salmonella spp. teniendo en cuenta los criterios establecidos en el documento más reciente, publicado en 2010.
• Las condiciones de almacenamiento del fango tratado influyen en la contaminación microbiológica presente. Aunque la concentración de las bacterias Gram positivas no se ve afectada, la concentración de las Gram negativas, disminuye al aumentar el tiempo de almacenamiento.
• El fango tratado procedente de un proceso de depuración de aguas residuales urbanas mejora las características agronómicas de los suelos, tanto de naturaleza arcillosa como arenosa, aumentando la concentración de materia orgánica y nutrientes.
• La aplicación del fango al suelo no supone un empeoramiento de la calidad microbiológica del terreno, teniendo en cuenta los indicadores bacterianos objeto de este trabajo.
Abstract (other lang.):
Pal. clave: ingenieria y tecnologia del medio ambiente ; tecnologia de aguas residuales ; control de la contaminacion del agua
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Química y del Medio ambiente
Plan(es): Plan 515
Department: Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente
Nota: Presentado: 19 01 2018
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente, 2018
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Record created 2018-03-01, last modified 2021-05-20
