En el sistema de lodos activados para el tratamiento de aguas residuales, los microorganismos sirven como los "ejecutores" centrales para la purificación de contaminantes. Dependiendo de sus métodos de adquisición de energía y las formas de utilización de la fuente de carbono, estos microorganismos pueden clasificarse ampliamente en dos categorías: autotróficos y heterótrofos. Estos dos tipos exhiben diferencias fundamentales en los mecanismos metabólicos, las funciones y la adaptabilidad ambiental, formando colectivamente la estructura ecológica de los lodos activados. Sin embargo, sus vías de acción y valores centrales difieren significativamente. Una comprensión profunda de estas diferencias es crucial para optimizar los procesos de tratamiento de aguas residuales y mejorar la eficiencia de la purificación.
1. Diferencias centrales: La distinción fundamental entre las fuentes de energía y la utilización de la fuente de carbono
La fuente de energía y la fuente de carbono son indicadores fundamentales que distinguen a los microorganismos autotróficos y heterótrofos. Estos dos factores clave determinan directamente su dirección metabólica y su dependencia de la supervivencia, así como la lógica subyacente para sus distintos roles en el sistema de lodos activados.
(1) Microorganismos autotróficos: transformadores de materia inorgánica "autosuficientes"
La característica central de los microorganismos autotróficos es su capacidad para sintetizar independientemente compuestos orgánicos a partir de carbono inorgánico, utilizando sustancias inorgánicas como "combustible energético" sin depender de materia orgánica externa, funcionando como los "productores" en los ecosistemas.
En términos de adquisición de energía, estos microorganismos obtienen energía oxidando sustancias inorgánicas. Por ejemplo, las bacterias nitrificantes obtienen energía oxidando nitrógeno amoniacal (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻), mientras que las bacterias nitrito-oxidantes oxidan el nitrito (NO₂⁻→NO₃⁻). Las bacterias oxidadoras de azufre, por otro lado, generan energía oxidando sulfuros (por ejemplo, H₂S→S→SO₄²⁻). Con respecto a la utilización de la fuente de carbono, dependen únicamente del dióxido de carbono (CO₂) o los carbonatos (como HCO₃⁻) como su única fuente de carbono, convirtiendo el carbono inorgánico en carbono orgánico a través de la fotosíntesis o la quimiosíntesis para construir sus células y llevar a cabo actividades metabólicas. Esta característica "autosuficiente" les permite sobrevivir sin depender de contaminantes orgánicos en las aguas residuales.
(2) Microorganismos heterótrofos: degradadores de materia orgánica "dependientes externamente"
Los microorganismos heterótrofos son exactamente lo opuesto a los autotróficos. No pueden utilizar sustancias inorgánicas para obtener energía ni sintetizar autónomamente carbono orgánico, sino que dependen de la materia orgánica preexistente del entorno externo como "fuente de energía" y "fuente de carbono". Esto los hace funcionalmente equivalentes a "consumidores" y "descomponedores" en un ecosistema.
En términos de adquisición de energía, estos microorganismos obtienen energía descomponiendo contaminantes orgánicos en las aguas residuales (como carbohidratos, proteínas, grasas, etc., cuantificados por la DQO, es decir, demanda química de oxígeno). Por ejemplo, las bacterias heterótrofas aeróbicas descomponen la glucosa en CO₂ y H₂O, liberando energía para su propio metabolismo. Con respecto a la utilización de la fuente de carbono, absorben directamente el carbono orgánico de las aguas residuales (como los componentes de la DQO y las pequeñas moléculas orgánicas) sin necesidad de síntesis autónoma. Sus actividades metabólicas dependen por completo de la concentración y los tipos de contaminantes orgánicos en las aguas residuales.
II. Funciones: Diferentes roles en el sistema de purificación de lodos activados
Basándose en las diferencias en la utilización de la energía y la fuente de carbono, los microorganismos autotróficos y heterótrofos en los sistemas de lodos activados desempeñan funciones de purificación claramente diferentes. Los primeros se centran en la transformación de la materia inorgánica, mientras que los segundos se centran en la degradación de la materia orgánica, trabajando sinérgicamente para garantizar una purificación eficaz de las aguas residuales.
(1) Microorganismos autotróficos: Centrados en la "eliminación de nitrógeno y azufre", tratando los contaminantes inorgánicos
Los microorganismos autotróficos desempeñan un papel central en los lodos activados al facilitar la transformación y eliminación de sustancias inorgánicas, siendo las nitrosomonas (incluidas Nitrosomonas y Nitrobacter) las más representativas. Estas bacterias son actores clave en los procesos de eliminación de nitrógeno de las aguas residuales. En condiciones aeróbicas, Nitrosomonas primero oxida el nitrógeno amoniacal (NH₄⁺) en las aguas residuales en nitrito (NO₂⁻), que luego es oxidado aún más en nitrato (NO₃⁻) por Nitrobacter. Este proceso, conocido como la "reacción de nitrificación", es el paso central en la eliminación biológica de nitrógeno. Sin bacterias nitrificantes autotróficas, el nitrógeno amoniacal en las aguas residuales no puede convertirse en nitrato, que posteriormente puede eliminarse mediante desnitrificación, lo que en última instancia conduce a niveles excesivos de nitrógeno amoniacal en el efluente.
Además, algunas bacterias autotróficas oxidadoras de azufre pueden oxidar los sulfuros en las aguas residuales, convirtiéndolos en sulfatos inofensivos y previniendo la inhibición tóxica de los sulfuros en los microorganismos, asegurando así el funcionamiento estable del sistema de lodos activados. Sin embargo, cabe señalar que los microorganismos autotróficos tienen una tasa metabólica extremadamente lenta (con un ciclo de generación típico de 10-30 horas) y son sensibles a las condiciones ambientales (como la temperatura, el oxígeno disuelto y el pH). En consecuencia, su proporción en el sistema de lodos activados suele ser baja (aproximadamente 5%-10%).
(2) Microorganismos heterótrofos: "Degradación de DQO" central, construcción de flóculos de lodos
Los microorganismos heterótrofos son la "fuerza principal" de los lodos activados, representando más del 90% de su población. Sus funciones principales se concentran en dos aspectos principales: la degradación de la materia orgánica y la formación de flóculos de lodos, que determinan directamente la eficiencia de eliminación de la DQO en las aguas residuales y el rendimiento de sedimentación de los lodos activados.
En la degradación de la materia orgánica, las bacterias heterótrofas aeróbicas descomponen compuestos orgánicos macromoleculares (como almidón, lípidos y proteínas) en las aguas residuales en moléculas orgánicas más pequeñas a través de la respiración aeróbica. Estas moléculas más pequeñas se descomponen aún más en productos inorgánicos como CO₂ y H₂O, reduciendo así el valor de la DQO de las aguas residuales. Este es el objetivo principal del tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales orgánicas. Por ejemplo, en las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, las bacterias heterótrofas pueden reducir la DQO de entrada de 300-500 mg/L a menos de 50 mg/L, cumpliendo con los estándares de descarga.
En la formación de flóculos de lodos, ciertos microorganismos heterótrofos (como actinomicetos y hongos) secretan sustancias viscosas como polisacáridos y proteínas, que agregan células microbianas dispersas en flóculos estructuralmente estables (es decir, flóculos de lodos activados). Estos flóculos no solo encapsulan los contaminantes y mejoran la eficiencia de la degradación, sino que también se asientan rápidamente en los tanques de sedimentación, logrando la separación lodo-agua y previniendo la pérdida microbiana con el efluente. Si la actividad de las bacterias heterótrofas es insuficiente o su capacidad de formación de flóculos es débil, puede provocar un exceso de sólidos suspendidos (SS) en el efluente y, en casos graves, causar "abultamiento de lodos", desestabilizando el sistema.
3、 Adaptabilidad ambiental: Diferentes requisitos para las condiciones del proceso
Las características metabólicas de los microorganismos autotróficos y heterótrofos difieren, lo que resulta en diferentes requisitos para las condiciones ambientales del sistema de lodos activados, como el oxígeno disuelto, la temperatura y la proporción de nutrientes. La optimización de estas condiciones es clave para asegurar el trabajo colaborativo de los dos tipos de microorganismos.
（1） Microorganismos autotróficos: altamente sensibles a las condiciones ambientales
La actividad metabólica de los microorganismos autotróficos (especialmente las bacterias nitrificantes) requiere condiciones ambientales estrictas, e incluso pequeñas fluctuaciones de los parámetros pueden afectar su actividad:
-Oxígeno disuelto (OD): Se requiere suficiente oxígeno disuelto para la reacción de nitrificación, y el OD debe mantenerse en 2 mg/L. Si el OD está por debajo de 1 mg/L, la actividad de las bacterias nitrificantes se inhibirá significativamente y la eficiencia de la oxidación del nitrógeno amoniacal disminuirá drásticamente;
-Temperatura: La temperatura óptima es de 20-30 ℃. Cuando la temperatura está por debajo de 10 ℃, la tasa metabólica de las bacterias nitrificantes disminuirá en más del 50%. En invierno, las plantas de tratamiento de aguas residuales a menudo se enfrentan al problema de una tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal insuficiente;
-Valor de pH: El rango adecuado es 7.5-8.5. Si el pH está por debajo de 6.5 o por encima de 9.0, las bacterias nitrificantes detendrán el metabolismo debido a la inhibición de la actividad enzimática;
-Proporción de nutrientes: no requiere una gran cantidad de carbono orgánico, pero es sensible al carbono orgánico: si la DQO en las aguas residuales es demasiado alta, las bacterias heterótrofas competirán con las bacterias autotróficas por el oxígeno disuelto y el espacio, inhibiendo el crecimiento de las bacterias nitrificantes.
（2） Microorganismos heterótrofos: altamente tolerantes a las condiciones ambientales
En comparación con los microorganismos autotróficos, los microorganismos heterótrofos tienen una mayor adaptabilidad ambiental y un rango de tolerancia más amplio para los parámetros del proceso:
-Oxígeno disuelto (OD): Las bacterias heterótrofas aeróbicas requieren que el OD se mantenga en 1-2 mg/L para satisfacer sus necesidades metabólicas, mientras que algunas bacterias heterótrofas facultativas (como las bacterias desnitrificantes) aún pueden degradar la materia orgánica a través de la respiración anaeróbica en condiciones anaeróbicas;
-Temperatura: La temperatura óptima es de 15-35 ℃, pero aún puede mantener un cierto nivel de actividad dentro del rango de 5-40 ℃, y su tolerancia a las bajas temperaturas es mucho mejor que la de las bacterias autotróficas;
-Valor de pH: El rango adecuado es 6.0-9.0, y algunas bacterias heterótrofas (como los hongos) aún pueden sobrevivir en condiciones ácidas a un pH de 5.0 o en condiciones alcalinas a un pH de 10.0;
-Proporción de nutrientes: Se requiere suficiente carbono orgánico y es sensible a la proporción carbono-nitrógeno (C/N), generalmente se requiere una proporción C/N de 5-10:1. Si la fuente de carbono es insuficiente, las bacterias heterótrofas experimentarán una disminución de la actividad y la tasa de eliminación de la DQO debido a la "inanición".
4、 Colaboración y competencia: Relaciones microbianas en los sistemas de lodos activados
En el sistema de lodos activados, los microorganismos autotróficos y heterótrofos no existen de forma independiente, sino que tienen una doble relación de "sinergia" y "competencia", y el equilibrio entre los dos afecta directamente la efectividad del tratamiento de aguas residuales.
（1） Relación colaborativa: funciones complementarias, completando conjuntamente la purificación
La sinergia entre los dos se refleja principalmente en el "proceso de desnitrificación": las bacterias nitrificantes autotróficas convierten el nitrógeno amoniacal en nitrato (proceso de nitrificación), mientras que las bacterias desnitrificantes heterótrofas, en condiciones anaeróbicas, utilizan el carbono orgánico en las aguas residuales como donante de electrones para reducir el nitrato a nitrógeno (N ₂) y liberarlo al aire (proceso de desnitrificación): sin bacterias autotróficas, las bacterias desnitrificantes no tienen "sustrato" para usar; Si faltan bacterias heterótrofas, el nitrato producido por las bacterias nitrificantes no se puede eliminar y, en última instancia, el nitrógeno total no puede cumplir con el estándar. Además, las bacterias heterótrofas pueden reducir la carga orgánica en las aguas residuales después de degradar la DQO, creando un entorno de vida adecuado para las bacterias autotróficas sensibles al carbono orgánico y promoviendo indirectamente su actividad.
（2） Relación competitiva: competencia por los recursos, afectando el equilibrio del sistema
La competencia entre los dos se centra principalmente en el "oxígeno disuelto" y el "espacio vital": cuando la concentración de DQO en las aguas residuales es demasiado alta, las bacterias heterótrofas se reproducirán rápidamente debido a la "suficiente comida", consumirán una gran cantidad de oxígeno disuelto y la actividad de las bacterias autotróficas se inhibirá debido a la "hipoxia", lo que resultará en el fenómeno de "buen efecto de eliminación de DQO pero mal efecto de eliminación de nitrógeno amoniacal"; Por el contrario, si la concentración de DQO en las aguas residuales es demasiado baja (como las aguas residuales industriales), la actividad de las bacterias heterótrofas es insuficiente y no se pueden formar flóculos de lodos estables. Las bacterias autotróficas también se perderán debido a la "deficiencia de portadores", lo que afectará la eficiencia de la nitrificación. Por lo tanto, en los procesos prácticos, es necesario equilibrar la relación competitiva entre los dos ajustando parámetros como la carga de agua de entrada y la relación de reflujo. Por ejemplo, al tratar aguas residuales con alta DQO, se puede utilizar la "entrada de agua segmentada" para reducir la carga orgánica local y asegurar la demanda de oxígeno disuelto de las bacterias nitrificantes.
5、 Resumen: Diferencias centrales y significado tecnológico entre dos tipos de microorganismos
La diferencia entre los microorganismos autotróficos y heterótrofos en los lodos activados es esencialmente la diferencia en las "fuentes de energía y los métodos de utilización de la fuente de carbono", que se extiende a una serie de diferencias en el posicionamiento funcional, la adaptabilidad ambiental y las relaciones microbianas entre los dos (como se muestra en la Tabla 1).
Comprender estas diferencias tiene una importante significación orientadora para optimizar los procesos de tratamiento de aguas residuales: por ejemplo, al tratar aguas residuales con alto nitrógeno amoniacal y baja DQO (como las aguas residuales de la acuicultura), es necesario centrarse en asegurar las condiciones de supervivencia de las bacterias autotróficas (aumentando el OD, controlando la temperatura) y agregando apropiadamente fuentes de carbono para satisfacer las necesidades de desnitrificación de las bacterias heterótrofas; Al tratar aguas residuales con alta DQO y bajo nitrógeno amoniacal (como las aguas residuales de alimentos), es necesario controlar la carga orgánica, evitar el crecimiento excesivo de bacterias heterótrofas e inhibir las bacterias autotróficas, y asegurar que la DQO y el nitrógeno amoniacal cumplan con los estándares simultáneamente. En resumen, el funcionamiento estable de un sistema de lodos activados es esencialmente un "equilibrio dinámico" entre los microorganismos autotróficos y heterótrofos. Solo al coincidir con precisión las necesidades de ambos se puede lograr la máxima eficiencia del tratamiento de aguas residuales.
