Evaluación_Operacional_de_Procesos_Biotecnológicos_Aerobio_Anaerobio

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PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 1 
 
Evaluación Operacional de Procesos Biotecnológicos Aerobio, Anaerobio y Combinado 
Para el Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mantilla Moreno Ana María 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Universidad de Santander 
Facultad de Ciencias Exactas, Naturales y Agropecuarias 
Maestría en Biotecnología 
Bucaramanga 
2022 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 2 
 
Evaluación operacional de Procesos Biotecnológicos Aerobio, Anaerobio y Combinado 
para el Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas 
 
 
 
 
 
 
 
Mantilla Moreno Ana María 
 
 
 
 
 
 
 
Trabajo de Grado Presentado Como Requisito Para Optar al Título de 
Magister en Biotecnología 
 
 
 
 
 
Director 
Epalza Contreras Jesús Manuel 
Mg. en Sistemas Energéticos Avanzados 
 
 
 
 
 
Universidad de Santander 
Facultad de Ciencias Exactas, Naturales y Agropecuarias 
Maestría en Biotecnología 
Bucaramanga 
2022 
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Página de Aceptación 
 
 
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Cesión de Derechos y Confidencialidad 
 
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Agradecimientos 
 
Primeramente, agradezco a Dios por darme la oportunidad de aprender más, en segunda 
instancia, pero no menos importante, agradezco a mi familia que siempre ha sido mi motor en 
cada paso, no solo mis padres que son un ejemplo a seguir, también mis tíos, primos y de manera 
inexpresable a mis abuelos, quienes hubiera querido que me vieran graduada. Por parte de la 
academia al profesor Manuel Epalza por la dirección del presente trabajo de grado, caracterizada 
por su idoneidad y disponibilidad pedagógica e investigativa, junto con un apoyo incondicional 
al enfrentar las diversas adversidades que se han presentado para entregar este documento. 
A la doctora Luz Amanda Bueno por su invaluable colaboración desde la Dirección de 
Posgrados UDES, permaneciendo atenta a cualquier avance y acompañando mi progreso desde 
el primer semestre. 
A la Universidad de Santander UDES por esta oportunidad de formación investigativa y 
de expansión de mi conocimiento, al permitir realizar este proyecto con el apoyo de 
profesionales como lo son los docentes de Ingeniería civil, ambiental y agroindustrial; con 
quienes he tenido el placar de trabajar y me han demostrado sus conocimientos en distintos 
ámbitos. A todos los auxiliares y profesionales de laboratorios que me acompañaron en los 
análisis, junto con las personas que me han colaborado con el aseo de los laboratorios y oficinas, 
en general a toda la comunidad UDES que me ha recibido de una manera tan cálida y amigable. 
Por último, agradecerles a todos mis amigos que me han dado soporte en varias ocasiones para 
terminar mi proyecto de maestría. 
Me considero de las personas más afortunadas en el mundo porque todas las personas que 
me rodean de una u otra manera son especiales y excepcionales. 
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Dedicatoria 
 
A mí. 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 8 
 
Tabla de Contenido 
Resumen 15 
Summary 17 
Introducción 19 
Problema de Investigación 24 
Planteamiento del Problema 24 
Justificación 26 
Pregunta de Investigación 27 
Objetivos 28 
Objetivo General 28 
Objetivos Específicos 28 
Línea de Investigación 29 
Metodología 30 
Primera Fase. Análisis Bibliométrico y Vigilancia Tecnológica 30 
Segunda Fase. Caracterización 33 
Métodos y Reactivos. 35 
Materiales. 37 
Tercera Fase. Determinación y Análisis Comparativo de Cinéticas Microbianas 38 
Estado del Arte 39 
Marco Referencial 49 
Marco Conceptual 49 
Características Físicas de ARD a Medir con Parámetros Físicos. 52 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 9 
 
Características Químicas de ARD a Medir con Parámetros Químicos. 52 
Microorganismos Presentes en ARD a Medir con Parámetros Microbiológicos. 54 
Marco Legal 73 
Análisis Bibliométrico y Vigilancia Tecnológica 75 
Análisis Bibliométrico 75 
Vigilancia Tecnológica 80 
Resultados del Análisis Bibliométrico y la Vigilancia Tecnológica 82 
Caracterización 84 
Caracterización Proceso Anaerobio 84 
Caracterización Proceso Aerobio (RBS) 94 
Caracterización proceso combinado 106 
Caracterización Coliformes Sistemas Anaerobio, Aerobio y Combinado 116 
Determinación de Cinéticas Microbianas y Análisis Comparativo de Eficiencia de los Sistemas 
UASB, RBS y Combinado UASB-RBS 118 
Cinéticas Microbianas 118 
Determinación de Coeficientes de la Cinética del 119 
Análisis de Cinéticas Microbianas. 121 
Balance de DQO 125 
DOFA del Bioproceso Combinado UASB-RBS 127 
Conclusiones 129 
Recomendaciones 131 
Referencias Bibliográficas 133 
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 Lista de Tablas 
Tabla 1 Métodos Biológicos 20 
Tabla 2 Parámetros Medidos en Cada Proceso Según Standard Methods 36 
Tabla 3 Reactivos Utilizados en Caracterización de Muestras de ARD 37 
Tabla 4 Equipos de Laboratorio 37 
Tabla 5 Tendencia de Flujo de Agua Residual Tratada en Colombia 2014-2017 43 
Tabla 6 Principales Características de los Procesos Aerobios y Anaerobios 46 
Tabla 7 Comparación de Tratamientos Aeróbico y Anaeróbico 47 
Tabla 8 Uso de Reactores en Sistemas Combinados Aeróbico y Anaeróbico 48 
Tabla 9 Ecuaciones en el Tratamiento de Lodos Activados 60 
Tabla 10 Marco Legal 73 
Tabla 11 Caracterización Agua Proceso Anaerobio(UASB) 84 
Tabla 12 Relación Entre los AGV y la AT del Tratamiento Anaerobio (UASB) 90 
Tabla 13 Caracterización Agua Proceso Aerobio 94 
Tabla 14 Caracterización Lodo Proceso Aerobio (RBS) 103 
Tabla 15 Bacterias Fermentadoras de Glucosa 105 
Tabla 16 Caracterización Agua Proceso Combinado 106 
Tabla 17 Caracterización Lodo Proceso Combinado 111 
Tabla 18 Coliformes Medio MLX- Fluorocult 116 
Tabla 19 Coliformes Membrana Cromocult 117 
Tabla 20 Estequiometría de Crecimiento Microbiano 121 
Tabla 21 Velocidad de Crecimiento Microbiano 124 
Tabla 22 Fraccionamiento de DQO 125 
Tabla 23 Balance de DQO 125 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 11 
 
Tabla 24 Cromatografía de Gases 126 
Tabla 25 DOFA del Bioproceso Combinado UASB-RBS 128 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 12 
 
Lista de Figuras 
 
Figura 1 Puntos de Recolección PTAR Río Frío 33 
Figura 2 Muestras de ARD 34 
Figura 3 Metodología 38 
Figura 4 Ubicación PTAR Río Frío 45 
Figura 5 PTAR El Santuario 45 
Figura 6 Tipos de Sistemas Combinados 50 
Figura 7 Microorganismos Presentes En Aguas Residuales 54 
Figura 8 Hongos Presentes en Aguas Residuales 55 
 
Figura 9 Bacterias Presentes en Aguas Residuales 55 
 
Figura 10 Protozoos Presentes en Aguas Residuales 56 
 
Figura 11 Coronavirus Presente en Aguas Residuales 57 
 
Figura 12 Algas Presentes en Aguas Residuales 57 
Figura 13 Arqueas 58 
Figura 14 Curva de Crecimiento Microbiano 62 
Figura 15 Tren de Tratamiento 63 
Figura 16 Floc Presente en el Licor Mezclado 69 
Figura 17 Esquema de un Reactor Biológico Secuencial (RBS) 69 
Figura 18 Digestión Anaerobia 71 
Figura 19 Esquema Reactor UASB 72 
Figura 20 Sistema Combinado 73 
Figura 21 Mapa Temático Basado en Palabras Clave 76 
Figura 22 Producción Científica Anual 78 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 13 
 
 
Figura 23 Conceptos y Técnicas de Interés 78 
Figura 24 Ejes Temáticos 79 
Figura 25 Porcentajes de Remoción DQO en el Agua del Tratamiento Anaerobio (UASB) 85 
Figura 26 Porcentaje de Remoción del DQO Soluble en el Agua del Tratamiento Anaerobio 
 
(UASB) 
 
86 
 
Figura 
 
27 
 
Relación Entre el DQO Total y DQO Soluble en el Agua del Tratamiento Anaerobio 
(UASB). 
 
87 
Figura 28 Remoción DBO5 enel Agua del Tratamiento Anaerobio (UASB) 88 
Figura 29 Remoción del DBO5 Soluble en el Agua del Tratamiento Anaerobio (UASB). 89 
Figura 
 
(UASB) 
30 Relación Entre el DBO5 Soluble / DBO5 Total en el Agua del Tratamiento Anaerobio 
 
89 
Figura 31 Gráfica Potencial Buffer del Tratamiento Anaerobio (UASB) 91 
Figura 32 Caracterización Lodo Proceso Anaerobio 91 
Figura 33 Relación Entre Sólidos de Lodo 92 
Figura 34 Grupos Tróficos 93 
Figura 35 Remoción DQO Total en el Agua del Proceso Aerobio (RBS) 95 
Figura 36 Remoción del DQO Soluble en el Agua del Tratamiento Aerobio (RBS) 96 
Figura 37 Relación entre el DQO Soluble y el Total en el Agua del Proceso Aerobio (RBS) 97 
Figura 38 Porcentaje Remoción DBO5 Agua 98 
Figura 39 Remoción del DBO5 en el Agua del Tratamiento Aerobio (RBS) 99 
Figura 40 Relación Entre DBO5 Soluble y Total en el Agua del Tratamiento Aerobio (RBS) 100 
Figura 41 Resultados en mg/L de Sulfatos en Agua de Entrada y Salida del Proceso Aerobio 
(RBS). 
 
101 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 14 
 
Figura 42 Conductividad en el Agua del Tratamiento Aerobio (RBS) 102 
Figura 43 Porcentaje en Relación a los Sólidos Totales y Volátiles del Lodo del Proceso 
Aerobio (RBS) 104 
Figura 44 Relación Entre SSed con SSV del Lodo Aerobio Proveniente del RBS 105 
Figura 45 Remoción DBO5 en el Agua del Proceso Combinado (UASB + RBS) 107 
Figura 46 Remoción DBO5 en el Agua Para el Proceso Combinado (UASB + RBS) 108 
Figura 47 Relación del DBO5 en el agua del proceso combinado (UASB + RBS) 108 
Figura 48 Porcentaje Remoción DQO en el Agua del Proceso Combinado (UASB + RBS). 109 
Figura 49 Remoción del DQO Soluble en el Agua del Proceso Combinado (UASB + BSR) 110 
Figura 50 Relación del DQO Total con el DQO Soluble en el Agua del Proceso Combinado 
 
 
(UASB + RBS). 
 
111 
 
Figura 
 
51 
 
Sólidos Sediméntales del Lodo Combinado (UASB + BSR) 
 
112 
Figura 52 Relación de Sólidos Totales y Suspendidos(UASB + RBS). 113 
Figura 53 Índice de Velocidad del Lodo combinado (UASB + RBS) 114 
Figura 54 Grupos Microbianos Presentes en el Proceso Combinado (UASB + RBS) 115 
Figura 55 Curva de Crecimiento Microbiano 119 
Figura 56 Solidos Suspendidos Volátiles del Anaerobio (USAB) 122 
Figura 57 Velocidad Específica de Crecimiento Anaerobio 122 
Figura 58 Velocidad Específica de Crecimiento Aerobio 123 
Figura 59 Velocidad Específica de Crecimiento Combinado 124 
Figura 60 Balance del DQO en el Proceso Combinado 127 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 15 
 
Resumen 
 
Título 
 
Evaluación Operacional de Procesos Biotecnológicos Aerobio, Anaerobio y Combinado 
Para el Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas 
Autor 
 
Mantilla Moreno, Ana María 
 
Palabras Clave 
 
Agua Residual Doméstica (ARD), Tratamiento Biológico, Digestión Anaerobia, 
Reactores, Biotecnología 
Descripción 
 
Actualmente, el tratamiento de aguas residuales domésticas sigue procesos biotecnológicos con 
capacidad de degradar materia orgánica, ya sea mediante reacciones de fermentación (anaerobio) 
u oxidación (aerobio). Con el fin de establecer la viabilidad de un sistema combinado aerobio- 
anaerobio se realizó una evaluación de estos procesos individualmente y conjunto, a partir de un 
análisis bibliométrico y vigilancia tecnológica de la temática, seguido de una caracterización 
físico-química y microbiológica de los parámetros influyentes en los procesos, para finalizar con 
un análisis de las cinéticas microbianas involucradas en la disminución de carga orgánica de cada 
sistema por separado y como sistema mixto, según la relación entre eficiencia y producto. 
Metodológicamente, se trató de un estudio de corte transversal que evaluó la capacidad de 
degradación de materia orgánica disuelta en aguas residuales municipales desde su entrada al 
sistema hasta el vertimiento del agua tratada en una fuente hídrica. Para determinar ventajas y 
desventajas de cada proceso por separado y en conjunto, se hizo el análisis de muestras 
recolectadas a partir de monitoreos semanales con un total de 2800 muestras de aguas residuales 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 16 
 
domésticas, durante un año, desde cuatro puntos a la entrada y salida del sistema combinado y 54 
muestras de lodo tomadas también semanalmente de cada sistema durante el año 2019. Además, 
se realizaron mediciones periódicas usando métodos térmicos, título-métricos, potenciométricos 
y espectrofotométricos con las metodologías normalizadas por el Standard Methods, con el fin 
de caracterizar los procesos fisicoquímica y microbiológicamente y comparar niveles de 
eficiencia obtenidos en cada proceso autónomo y en correlación. 
Entre los resultados se destacaron la caracterización de aguas residuales durante los 
procesos aislados y combinado con los parámetros más representativos y la identificación del 
porcentaje de remoción de 70% por parte del proceso combinado junto con la presencia de 
células no viables en lodos que no se encuentran estabilizados. 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 17 
 
Summary 
 
Title 
 
Evaluation of Combined, Anaerobic and Aerobic Biotechnology Processes for Domestic 
Waste Water Treatment 
Author 
 
Mantilla Moreno, Ana María 
 
Keywords 
 
Domestic Waste Water, Biological Treatment, Anaerobic Digestion, Reactors, 
Biotechnology 
Abstract 
 
Currently, domestic wastewater treatment follows biotechnological processes to degrade organic 
matter by fermentation (anaerobic) or oxidation (aerobic) reactions. In order to establish the 
viability of a Mixed aerobic-anaerobic system in the treatment of domestic wastewater, it was 
made a bibliometric analysis and technological vigilance of the topic. It was followed by a 
physic-chemical and microbiological characterization of the main processes’ parameters. Finally, 
an evaluation of the aforementioned processes was carried out, based on the determination and 
comparative analysis of the microbial kinetics involved in the decrease of organic load of each 
system separately and as a mixed system in relation of efficient-product. 
Methodologically, it was a cross-sectional study that evaluated the degradation capacity 
of dissolved organic matter in municipal wastewater from its entry into the system until the 
discharge of treated water into water sources. To determine advantages and disadvantages of 
each process separately and together, the analysis of the samples collected from those monitored 
weekly was made with a total of 2800 samples of domestic wastewater, during a year, from four 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 18 
 
points to the entrance and output of the combined system and 54 mud samples also taken weekly 
from each system in 2019. Periodic measurements were made using thermal, titer-metric, 
potentiometric and spectrophotometric methods with the methodologies standardized by the 
Standard Methods, in order to characterize the physicochemical and microbiological processes 
and compare efficiency levels obtained in each autonomous process and in correlation. 
The results include, characterization of wastewater during the isolated processes and 
combined with the most representative parameters and the identification of the removal 
percentage of 70% by the combined process together with the presence of non-viable cells in 
sludge that are not found stabilized. 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 19 
 
Introducción 
 
Según la Organización Panamericana de la Salud (OPS) el consumo básico de agua en 
2010 se encontraba entre 80 – 100 litros/habitante – día (Jaramillo, Saldariaga, & Gonzalez, 
2010). A este mismo ritmo este recurso escasea por la captación excesiva, efectos del cambio 
climático y principalmente por su contaminación. Esta última cuestión generalmente deriva en el 
aumento de aguas residuales a la espera de ser tratadasantes del vertimiento a fuentes hídricas 
naturales. Para el caso de Colombia del 0,8 a 0,85 del consumo de agua se convierte en agua 
residual (RAS 2016). De otra parte, los tiempos de diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas 
Residuales (PTAR) son muy amplios incluso de hasta 20 años en relación con el aumento anual 
de consumo de agua y generación de aguas residuales (Norma Técnica de Diseño AyA 2017 y 
Solano Pérez, 2019). 
Actualmente, el Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas (TARD) sigue procesos 
biotecnológicos (aeróbicos o anaeróbicos) que han servido para el cumplimiento de estándares en 
remoción de materia orgánica. Esto ayuda a mitigar en parte el impacto ambiental negativo por 
vertimiento de aguas residuales a fuentes hídricas. Sin embargo, el constante incremento de 
asentamientos urbanos en simultáneo con el aumento de aguas residuales domésticas obliga a la 
evaluación de opciones medioambientales que mitiguen de alguna manera la contaminación de 
aguas de escorrentía, ríos y mares con agua residual ineficientemente tratada. 
Entre las alternativas de tratamiento de Aguas Residuales Domésticas (ARD) con que 
cuentan las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) locales está el sistema aerobio, 
que, mantienen un costo mayor de 300 millones de pesos en infraestructura (Alarcon Camargo 
& Pulido Ciendúa, 2015), es eficiente en remoción de materia orgánica y mínima generación de 
olores ofensivos. 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 20 
 
En Colombia en menor proporción se acude a sistemas anaerobios cuya operación es 
económica (LizarazoBecerra & Orejuela Gutierrez, 2013), saca escasos volúmenes de lodos o 
lodos suficientemente digeridos y obtiene como producto gas metano, durante la digestión 
anaerobia también se generan otros subproductos como el H2S el cual presenta olores ofensivos y 
corrosión (Rodríguez, 2022), por lo que se requiere de sistemas adicionales de mitigación. Este 
sistema tiene una eficiencia de remoción inferior al 60% y deteriora la infraestructura de la 
PTAR por corrosión en metales y carbonatación del concreto. De otro lado, también existe la 
alternativa de tratamiento de ARD mediante un sistema combinado, cuyas ventajas, desventajas 
y eficiencia son desconocidas en el ámbito local. 
Indiscutiblemente se necesita evaluar los actuales sistemas de tratamiento de aguas 
residuales domésticas, dado que se han identificado las ventajas y desventajas (cuadro1) que 
comprenden los procesos aerobios y anaerobios en trabajos como el de Amin Goli (Amin Goli, 
2019) pero no de un sistema combinado. 
Tabla 1 
 
Métodos Biológicos 
 
Tipo Nombre común Aplicación 
 
 
 
 
 
 
 
Procesos aerobios 
- Cultivo en suspensión 
Procesos de fangos activados 
-Convencional (flujo en 
pistón) 
-Mezcla completa 
-Aireación graduada 
-Oxígeno puro 
-Reactor intermitente 
secuencial 
-Contacto y estabilización 
-Aireación prolongada 
-Canales de oxidación 
-Tanques profundos (30.0) 
-Deep shaft 
Nitrificación de cultivos 
suspensión 
Lagunas aireadas 
Digestión aerobia 
-Aire convencional 
-Oxígeno puro 
Eliminación de la DBO carbonosa 
(nitrificación) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Nitrificación 
Eliminación de la DBO 
carbonosa (nitrificación) 
Estabilización, eliminación de 
la DBO carbonosa 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 21 
 
 
Tabla 1 (Continuación) 
Tipo Nombre común Aplicación 
 
 
 
- Cultivo fijo 
Filtros percoladores 
Baja carga 
Alta carga 
Filtros de desbaste 
Sistemas biológicos 
rotativos de contacto (RBC) 
Reactores de lecho 
compacto 
 
 
Eliminación de la DBO 
carbonosa (nitrificación) 
 
 
- Procesos combinados 
Biofiltros activados 
-Filtros 
Percoladores con contacto 
de sólidos, procesos de fangos 
activados con biofiltros, proceso de 
filtros percoladores y fangos 
activados en serie 
 
 
Eliminación de la DBO 
carbonosa (nitrificación) 
Procesos anóxicos 
Cultivo en suspensión 
Desnitrificación con 
cultivo en suspensión 
Desnitrificación 
Nota. Nombres y aplicaciones de diversos tratamientos aerobios en la actualidad. Adaptado de Metcalf y 
Eddy. Ingeniería de Aguas Residuales. Tratamiento, Vertido y Reutilización. Tomo I. Tercera Edición. 
México: Mc Graw Hill, 2000. 
 
Por lo anterior, conviene examinar los procesos comúnmente utilizados en las Plantas de 
Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas (PTARD), con el fin de contar con la información 
necesaria para tomar decisiones sobre las alternativas que pueden llegar a ser eficientes en 
procesos de remoción de materia orgánica en ARD. En específico, urge evaluar aquellos 
tratamientos en los que intervienen el reactor anaerobio de manto de lodos y flujo ascendente o 
tipo Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) (Kujawa-Roeleveld y Zeeman, 2006), el 
tratamiento con participación de un Reactor Biológico Secuencial (RBS) que comprende un 
sistema de lodos activados que usa microorganismos aeróbicos, con un carrusel que presenta 
zonas con menor cantidad de oxígeno disuelto. 
De Lemos, 2013) y el sistema combinado entre estos dos reactores (Romero, 2016), que 
en el año 2019 se empezó a implementar en plantas como la PTARD Río Frío en el municipio de 
Girón (Santander-Colombia). 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 22 
 
Teniendo en cuenta lo anterior, el trabajo de grado titulado “Evaluación de procesos 
biotecnológicos aerobio, anaerobio y combinado para el tratamiento de aguas residuales 
domésticas” se justifica en la medida que analiza esos procesos biotecnológicos con el ánimo de 
evaluar la operación actual y desde allí contribuir en la búsqueda de soluciones y optimizaciones 
en los TARD utilizados actualmente. Además, al evaluar la viabilidad de un sistema combinado 
se puede comprender su funcionamiento desde sus bases no solo fisicoquímicas sino también 
microbiológicas, hasta la implementación y evaluación del funcionamiento. Igualmente, el 
analizar las características comparativas y diferenciales de los sistemas por separado y en 
conjunto permite tener una idea más clara acerca de los impactos medioambientales de las ARD 
tratadas con los mencionados bioprocesos. 
Asimismo, con el análisis que se hizo en este trabajo del uso de microorganismos capaces 
de degradar materia orgánica disuelta en el agua residual (reacciones de óxido-reducción), se 
comprenderían y aprovecharían las condiciones físico-químico y microbiológicas que influyen 
en las cinéticas microbianas y que guían la selección de un proceso biológico en una PTAR. 
Además, se contribuiría a la conservación medioambiental del recurso con alternativas de mejora 
a la remoción de materia orgánica previa al vertimiento de ARD en fuentes hídricas. 
Más adelante en el estado del arte y en análisis de vigilancia tecnológica se contrastará 
información con otros trabajos de investigación existentes que abordan principalmente el estudio 
de los procesos de tratamiento aerobio y anaerobio por separado 
Por último, se expone en esta introducción el contenido del documento, empezando por el 
problema de investigación orientado a conocer qué tan viable es la operación de un sistema 
combinado aerobio-anaerobio en el tratamiento de ARD, el objetivo principal que fue el de 
evaluar los sistemas biotecnológico de tratamiento de ARD y la metodología seguida que 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 23 
 
comprendió tres fases: un análisis bibliométrico y vigilancia tecnológica, el análisis y resultados 
de la caracterización de ARD y la determinación de cinéticas microbianas. Todo ello, expuesto 
en los siguientes capítulos. 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 24 
 
Problema de Investigación 
 
Planteamiento del Problema 
 
Según conclusiones del Informe Mundial de la Unesco sobre el Desarrollo de los 
Recursos Hídricos 2017 “se estima que en el mundo más del 80% de las aguas residualesse 
vierte al medio ambiente sin tratamiento alguno. Las consecuencias son inquietantes. La 
contaminación del agua en la mayoría de los ríos de África, Asia y América Latina es cada vez 
peor. Cada vez son más las zonas muertas desoxigenadas en mares y océanos a causa del vertido 
de aguas residuales sin tratar, lo cual afecta a los ecosistemas marinos con repercusiones en la 
industria pesquera, medios de subsistencia y cadenas alimenticias” (UNESCO, 2017). 
Ahora bien, desde 2015 la Asamblea General de las Naciones Unidas aprobó la Agenda 
de Desarrollo Sostenible 2030 y entre lo propuesto se encuentra el caso del ODS 6, que consiste 
en “garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y saneamiento para todos” (ONU 
Agenda 2030, 2017), pero como se menciona en el artículo titulado “La gobernanza del agua 
como marco integrador para el cumplimiento de los Objetivos de Desarrollo Sostenible en 
Latinoamérica”, el prestar un servicio de saneamiento para todos sus habitantes es una gestión 
cada vez más compleja de alcanzar (Fernández-Vargas, 2020). 
El 70% del planeta está cubierto por agua y la disponibilidad de recursos hídricos en el 
mundo no es heterogénea. América es el único continente donde los recursos hídricos se 
encuentran en un porcentaje mayor con relación a su población. Latinoamérica cuenta con el 6% 
de la población mundial y el 12% del territorio y un tercio del agua mundial. De acuerdo con el 
porcentaje de población que accede al saneamiento, este es menor que el de acceso a agua 
potable, como por ejemplo en Haití que cuenta con un 30% en comparación con cerca del 90% 
en Uruguay. 117 millones de latinoamericanos, que equivale al 20% de su población, no posee 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 25 
 
saneamiento y aunque la situación ha mejorado en las últimas décadas con respecto al sudeste 
asiático y África, la calidad del agua sigue sufriendo afectaciones hasta el punto que en 2004 las 
muertes por diarrea fueron mayores al 50%, constituyéndose en problema de salud pública en el 
contexto mundial (Fernández, 2018). 
De acuerdo con estudio referenciado en el informe de la Unesco de 2017, de 181 países, 
únicamente 55 contaban con información en materia de generación, tratamiento y 
aprovechamiento de aguas residuales, mientras los 126 restantes contaban con información 
parcial, desactualizada o nula. Así, “Este cuello de botella con respecto a la información impide 
realizar las actividades de investigación y desarrollo necesarias para diseñar tecnologías 
innovadoras y adaptar las existentes a las necesidades y características locales” (Unesco, 2017). 
Se está entonces ante una amenaza antropogénica, basada en gran parte, en el 
desconocimiento de mecanismos, técnicas y tratamientos que mitiguen efectivamente el daño 
generado al medio ambiente por inadecuado tratamiento de aguas residuales domésticas. 
En Colombia, las Corporaciones Autónomas Regionales definen las amenazas antrópicas 
como un peligro latente generado por la actividad humana al contaminar agua, suelos o aires 
(CAR, 2020), pero infortunadamente, desde tiempos coloniales, en Colombia las aguas 
residuales han sido consideradas como desechos a ignorar. Sin embargo, como todos los países 
en el mundo, la población colombiana aumenta exponencialmente en igual proporción a la 
disminución del agua potable disponible y al incremento de caudales de aguas residuales, lo que 
ha obligado a acudir al uso de sistemas de tratamiento. 
Aunado a lo anterior, según información de la Asociación Colombiana de Ingeniería 
(ACODAL), solo el 31% de las ciudades colombianas cuenta con sistemas de tratamiento de sus 
ARD y sólo “el 29% de los sistemas existentes es de tipo preliminar (remoción de sólidos 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 26 
 
gruesos, sedimentables, arenas, grasas) y no se conoce la eficiencia de los mismos (secundario, 
terciario y combinado)” (El Tiempo. Vida-Medio Ambiente. 22 de marzo de 2017). 
Actualmente, en las PTAR se utilizan tecnologías de tratamientos fisicoquímicos y 
biológicos del agua residual, que, dependiendo de las características del agua a tratar, requieren 
de la combinación de varios procesos que conforman el denominado ‘tren de tratamiento’ 
(¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.), consistente en un tratamiento preliminar, 
primario, secundario y terciario. 
El presente trabajo centra su atención en los procesos biotecnológicos seguidos en el 
tratamiento secundario, que comprende la degradación de la materia orgánica disuelta, con un 
porcentaje significativo de remoción, pero que hoy por hoy se realiza todavía de manera 
heurística, conforme al desconocimiento sobre la fisiología microbiana que interviene para 
generar la conversión de los carbohidratos, proteínas o grasas que se encuentran disueltas en el 
agua. Además, actualmente son prácticamente inexistentes los estudios y evaluaciones de las 
características involucradas en el proceso conjunto (aerobio-anaerobio), que permitan a los 
operadores de las PTARD contar con la información necesaria para tomar decisiones sobre las 
alternativas eficientes en el tratamiento de ARD. 
Justificación 
 
Toda sociedad en el mundo necesita formas de tratar sus aguas residuales domésticas, ya 
sea de manera aerobia o anaerobia; sin embargo, también es incuestionable que ambos 
tratamientos presentan múltiples desventajas por separado y que aún son inciertas las 
afectaciones, especialmente ambientales, de la operación combinada. Es por esto que se justifica 
el presente proyecto, ya que permitiría evaluar la viabilidad del uso de un sistema combinado o 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 27 
 
aquel que comprende el tratamiento de aguas residuales domésticas, primero con UASB y en 
segundo lugar, con sistema de lodos activados. 
Así mismo, el proyecto propuesto sería de gran utilidad en la toma de decisiones acerca 
de la operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales con mínimas desventajas e 
impactos medioambientales negativos. 
Finalmente, la aprobación de esta propuesta brindaría la posibilidad de aportar desde el 
ámbito científico, a la solución de problemas que afectan a la sociedad contemporánea y que 
repercuten en el futuro de la humanidad. 
Pregunta de Investigación 
 
Lo anteriormente planteado, llevó a la pregunta-problema: ¿Cuál sistema entre aerobio- 
anaerobio y combinado genera mayor reducción de materia orgánica en el tratamiento de aguas 
residuales domésticas? 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 28 
 
Objetivos 
 
Objetivo General 
 
Evaluar la capacidad de un proceso biotecnológico combinado anaerobio-aerobio, a partir 
del análisis de literatura, de la caracterización de muestras de ARD y de cinéticas microbianas 
involucradas en la degradación de la materia orgánica disuelta en el ARD, en cada sistema por 
separado y como sistema mixto (anaerobio- aerobio). 
Objetivos Específicos 
 
 Analizar las técnicas y parámetros que se requieren para la evaluación de los 
sistemas objeto de estudio. 
 Comprobar mediante caracterización fisicoquímica y microbiológica las 
propiedades de los procesos por separado y en conjunto. 
 Determinar ventajas y desventajas de cada proceso por separado y en conjunto a 
partir del análisis de las cinéticas microbianas involucradas en la disminución de carga orgánica 
de cada sistema por separado y como sistema mixto. 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 29 
 
Línea de Investigación 
 
Este estudio se encuentra enmarcado en los planteamientos de la línea de investigación en 
‘Aguas’, direccionada desde la Maestría en Biotecnología. También responde al compromiso 
institucional UDES que vela por la conservación de los recursos naturales y el fortalecimiento de 
los grupos de investigación (Proyecto Educativo Institucional, 2019-2028). Esto último,gracias 
al apoyo del grupo de investigación GAIA (Grupo Ambiental de Investigación Aplicada). 
Asimismo, al seguir la línea de investigación en aguas, este trabajo también responde al 
compromiso social y con el entorno, mediante aportes significativos para la toma de decisiones 
acerca de la operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales con mínimos impactos 
negativos en el medio ambiente. 
Así, desde el ámbito científico, el desarrollo de trabajos en la línea de aguas brinda 
alternativas viables para la solución de problemas que afectan a la sociedad contemporánea y que 
repercuten en el futuro de la humanidad, mediante una mejor gestión de las aguas residuales que 
reduzca la contaminación en las fuentes y contribuya a la eliminación de contaminantes en los 
mismos flujos de ARD, la reutilización de aguas tratadas y la recuperación de subproductos 
útiles. Todo ello redundaría a su vez, en beneficios socio-ambientales, económicos, seguridad del 
agua, seguridad alimentaria y desarrollo sostenible de las localidades beneficiadas. 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 30 
 
Metodología 
 
La investigación se desarrolló a manera de estudio de corte transversal, mediante el 
análisis comparativo y evaluación de la capacidad de cada sistema individualmente y combinado 
desde el inicio del tratamiento secundario hasta el vertimiento del agua tratada en fuentes 
hídricas. 
La metodología seguida comprendió tres fases: primero, por medio de un análisis 
bibliométrico y de vigilancia tecnológica sobre el estado de la literatura pertinente hasta el 
momento, determinando los parámetros influyentes en el tratamiento de agua residual domestica 
por medio de procesos biológicos. (Ver Figura 0). 
Segundo, la fase de caracterización fisicoquímica y microbiológica de muestras de ARD 
tratadas por los sistemas UASB y RBS en forma aislada y en conjunto, permite identificar el 
funcionamiento de los procesos biotecnológicos. 
La tercera fase consistió en un análisis comparativo de las cinéticas microbianas 
involucradas en la disminución de carga orgánica de cada sistema por separado y como sistema 
mixto, para determinar la eficiencia de los procesos aislados y en conjunto. 
Primera Fase. Análisis Bibliométrico y Vigilancia Tecnológica 
 
En la primera etapa se hizo un análisis bibliométrico con el fin de valorar los resultados 
de la actividad científica, el impacto de investigaciones y el conocimiento generado en el tema de 
los TARD. El análisis bibliométrico es “una medición cuantitativa que permite describir 
detalladamente una gran cantidad de información bibliográfica mediante la evaluación de 
desempeño y mapeo científico de la producción, divulgación y uso de la información reportada 
por la comunidad científica (Noyons y Moed, 1999). 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 31 
 
Como se explicará en el capítulo de Análisis bibliométrico de 4000 artículos científicos 
originales consultados inicialmente, publicados en los últimos quince años en revistas indexadas 
de la base de datos bibliográficos Scopus, se filtraron mediante ecuaciones de búsqueda 
estratégica 3.827 documentos. Los artículos filtrados se analizaron con ayuda de la herramienta 
informática software de uso libre RStudio® versión 4.1.1 (RStudio, 2021). 
Así, se realizó un análisis cuantitativo de 3 827 artículos, a partir de la evaluación de 
desempeño y mapeo científico (Raan, 2009) de la producción intelectual usada y reportada por la 
comunidad científica desde 2006 hasta 2021. 
En la evaluación de desempeño se examinó la estructura de las publicaciones y el factor 
de impacto de citas de información recuperada (títulos, citación, autores, resumen y palabras 
clave) de la base de datos bibliográficos Scopus de Elservier. Asimismo, el mapeo científico 
permitió identificar la dinámica de las investigaciones publicadas. 
La consulta inició con la ecuación de búsqueda en Scopus: 
 
“𝑤𝑎𝑠𝑡𝑒 𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 𝑡𝑟𝑒𝑎𝑡𝑚𝑒𝑛𝑡” 𝑂𝑅 “𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟” 
 
𝐴𝑁𝐷 “𝑑𝑜𝑚𝑒𝑠𝑡𝑖𝑐 𝑤𝑎𝑠𝑡𝑒 𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟”𝑜𝑟 “𝑚𝑢𝑛𝑖𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 𝑡𝑟𝑒𝑎𝑡𝑚𝑒𝑛𝑡” (2) 
 
De lo anterior se obtuvieron registros de 4000 artículos científicos originales, publicados 
en revistas indexadas entre 2006 y 2021 limitadas por la siguiente ecuación de búsqueda: 
𝑇𝐼𝑇𝐿𝐸 − 𝐴𝐵𝑆 − 𝐾𝐸𝑌 "treatment plant" OR "domestic waste watter" 
AND ALL "anaerobic digestion" 𝐴𝑁𝐷 "activated sludge" 
𝑂𝑅 𝐾𝐸𝑌 "UASB" AND "BSR" 
 
𝐴𝑁𝐷 𝐴𝐵𝑆 "biological reactor" (3) 
 
Posteriormente, se empleó el software de análisis de datos bibliográficos RStudio® 
versión 4.1.1 de uso libre, que, mediante ecuaciones de búsqueda estratégica, permitió filtrar 3 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 32 
 
827 documentos, principalmente artículos científicos y revisiones bibliográficas sobre las 
temáticas y técnicas de tratamiento de ARD con sistemas aerobio, anaerobio y combinado. Esto 
constituyó el 90% de las publicaciones. 
Este análisis permitió identificar las principales redes de trabajo científico, el desarrollo 
de la producción científica en los últimos 15 años hasta el año 2021, la profundización e 
intercambio conceptual y técnico y los principales ejes temáticos estudiados sobre los TARD. 
Todo esto fue esquematizado en cuatro gráficas con la ayuda del mencionado software. 
El porcentaje restante fue objeto de vigilancia tecnológica y se distribuyó en 1 documento 
público oficial de una PTAR municipal, 4 artículos, 2 tesis doctorales, 1 tesis de maestría, 1 de 
especialización y dos de pregrado. 
Entonces, en el séptimo capítulo de este trabajo se realizó la vigilancia tecnológica o 
“proceso organizado, selectivo y sistemático para captar información del exterior y de la propia 
organización sobre ciencia y tecnología” (Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación de 
España,2006), del Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico para 
Colombia (RAS 2000), cuatro artículos que trataban el sistema combinado (anaerobio-aerobio), 
dos tesis doctorales (una sobre digestión anaerobia de residuos agrícolas y otra sobre tratamiento 
biológico aerobio de aguas residuales), una tesis de maestría (tratamiento anaerobio de aguas 
residuales de industrias de descarne), una monografía de especialización (sistemas de PTAR en 
Colombia) y dos trabajos de pregrado, uno en biología (aplicaciones de la microbiología 
predictiva en la industria alimentaria) y otro de ingeniería civil (evaluación de la remoción de 
carga orgánica en TARD). 
Con el fin de obtener información externa y local sobre ciencia y tecnología en TARD 
con sistemas aerobio, anaerobio y combinado, los indicadores tenidos en cuenta fueron: el 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 33 
 
indicador de citación, el factor de impacto (registrado por cada revista) e indicadores de 
contenido (palabras clave, descriptores y clasificaciones estandarizadas por Tesauros 
(https://www.eionet.europa.eu/gemet/es/themes/). 
Segunda Fase. Caracterización 
 
Con el fin de caracterizar fisicoquímica y microbiológicamente los procesos por separado 
y en sistema combinado, se recolectaron semanalmente un total de 2800 muestras de ARD, 
durante un año, desde cuatro puntos distribuidos desde la entrada hasta la salida del sistema 
combinado (Figura 2) y 54 muestras de lodo (inóculo) tomadas también semanalmente de cada 
sistema en el año 2019. 
Figura 1 
 
Puntos de Recolección PTAR Río Frío 
 
Nota. Imagen sobre los puntos de muestreo tomados de la planta, Los puntos rojos ilustran los lugares del 
muestreo incluyendo el Punto de Entrada y Punto de Salida. Tomado de Google Earth. 
http://www.eionet.europa.eu/gemet/es/themes/)
http://www.eionet.europa.eu/gemet/es/themes/)
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 34 
 
Las muestras se dividieron en muestras de ARD y de inóculo (Figura 2). Las primerasestaban compuestas de alícuotas y fueron tomadas cada hora durante 24 horas en un año, para 
identificar el grado de degradación de materia orgánica en cada sistema por aparte y en el 
combinado. También se tomó el inóculo, indicativo de degradación microbiana del manto de 
lodo del UASB y del lodo del área ventilada del RBS, llamado licor mixto. Las muestras de 
inóculo se guardaron en botellas plásticas, cerradas con tapa de rosca y se preservaron en 
refrigeración a 4°C durante un mes antes del análisis microbiológico. 
Figura 2 
 
Muestras de ARD 
 
Nota. Imagen sobre las muestras tomadas de agua y lodo de los distintos puntos de muestreo. 
 
Para determinar ventajas y desventajas de cada proceso por separado y en conjunto, se 
realizaron análisis de las muestras recolectadas a partir de monitoreo y según parámetros de la 
metodología Standard Methods (Tabla 1). 
Además, se realizó el análisis de parámetros medidos mensualmente en comparación con 
los resultados obtenidos en periodos de sequía y de lluvia. Del mismo modo, gracias al análisis 
bibliométrico se determinaron las propiedades fisicoquímicas del ARD tratada en sistemas 
UASB y RBS. Aquí fue importante también reconocer los parámetros y aplicaciones de los 
métodos biológicos de TARD (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Esto 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 35 
 
último porque, la “integración de todos los parámetros permite entender la operación de un 
bioproceso” (Samboni y otros, 2007). 
En detalle se tuvieron en cuenta dos tipos de monitoreo: el monitoreo de eficiencia y de 
estabilidad. Con el primero se estableció el comportamiento de cada unidad y su desempeño de 
acuerdo con especificaciones de diseño. Específicamente se midieron parámetros de Kit de 
Sólidos (Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV), Solidos Sedimentables (SS) y Sólidos Totales 
(ST)), Demanda Química de Oxígeno (DQO), Demanda Biológica de Oxígeno (DBO5) y 
determinación de microorganismos patógenos. 
De otro lado, el monitoreo de estabilidad dependió del tipo de reactor. Así, en el reactor 
anaeróbico se monitorearon durante la digestión anaerobia, las variables de pH, Ácidos Grasos 
Volátiles (AGV), alcalinidad (Potencial Buffer) y generación de metano. Mientras en el proceso 
aeróbico fue necesario examinar la cantidad de oxígeno disuelto en ARD y flocs característicos 
presentes en el agua (Orozco, Triviño y Manrique, 2014). 
Asimismo, con el objetivo de comparar niveles de eficiencia obtenidos en cada proceso 
autónomo y en correlación se aplicó el Método de Titulación. Este método consiste en generar 
cambios de ácidos-base para comprender la actividad química según “naturaleza corpuscular de 
la materia, teoría cinética molecular, naturaleza y composición de soluciones, estructura atómica, 
ionización, vínculos iónicos y covalentes, entre otros” (Raviolo y Farré, 2017). Con este método 
se compararon niveles de alcalinidad y se determinaron los AGV. 
Métodos y Reactivos. 
 
Esta caracterización se realizó en los laboratorios de la Universidad de Santander (UDES) 
ubicados en el campus de Lagos del Cacique, en los laboratorios LIA, Aguas y Procesos, 
localizados en el bloque MUISCA; y los laboratorios Bacteriología (4005), Bioquímica de 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 36 
 
Microrganismos (4004), Hematología (4002) y Correlación (4001) del bloque Chibcha. En los 
siguientes cuadros se relacionan los equipos de laboratorio y reactivos utilizados: 
Tabla 2 
 
Parámetros Medidos en Cada Proceso Según Standard Methods 
 
Clasificación Parámetros Método 
 
Ácidos Grasos 
Volátiles (AGV) 
Anderson, G.K & Yang, G (1992) Water 
environment research 64, p 53 - 59. Método 
titrimétrico 
 
Turbidez 
SM edición 23 (2017) método 2130 
Turbidity, B. Nephelometric Method 
 Potencial Iónico 
(pH) 
SM edición 23 (2017) método 4500 pH, H, 
B. Electrometric Method 
 
Conductividad 
SM edición 23 (2017) método 2510 
Conductivity, B. Laboratory Method 
 Solidos Disueltos 
Totales 
SM edición 23 (2017) método 2540 Solids, 
C. Total Dissolved Solids Dried at 180°C 
Físico-químicos 
Alcalinidad 
SM edición 23 (2017) método 2320 
Alkalinity, B. Titration Method 
 
Kit de sólidos (ST, 
SV, SSV,SST and SS) 
SM edición 23 (2017) método 2540 Solids, 
B. Total Solids Dried at 103–105°C, E. Fixed and 
Volatile Solids Ignited at 550°C. F. Settleable Solids 
 
Demanda Química 
de Oxígeno 
SM edición 23 (2017) método 5220 
Chemical Oxygen Demand (COD), D. Closed Reflux, 
Colorimetric Method 
 
Índice Volumétrico 
del Lodo 
Método de evaluación de los lodos por medio 
IVL desarrollado por Mohlman utilizado por varios 
investigadores como (Silverstein & Schroeder, 1983; 
Rittmann & McCarty, 2001; Metcalff & Eddy, 2003; 
Rössle et al. 2009; Wett et al. 2011). 
 Demanda 
Bioquímica de Oxígeno 
(DBO5) 
SM edición 23 (2017) método 5210 
Biochemical Oxygen Demand (BOD), B. 5-Day BOD 
Test 
 
Grupos Tróficos 
(GT) 
Diaz-Baez, M (2002) p. 152 -165 y 
Sandoval, C (2009) Waste Managenment 29. 704 - 
711. Método del Numero más Probable (MNP). 
Microbiológicos Coliformes Totales 
(CT) 
IDEAM (2007). TP0314 versión 03. Método 
de filtración por membrana en agar Chromocult. 
TP0423 versión 02. Método del Número más Probable, 
modificado con medio LMX en tubo. 
 Coliformes Fecales 
(CF) 
 Actividad 
Metanogénica Específica 
(AME) 
Diaz-Báez, M (2002) p.108-116 y 
Angelidaki, I (2009) Water Science & Technology - 
WST 59.5. 927 - 934. 
Nota. Metodologías utilizadas para realizar los análisis físico-químicos y microbiológicos. 
Adaptado de Angelidaki y otros (2009), Rössle y otros (2009), Silverstein, J. & Schroeder, E. 
(1983), Rittman, B. E. & Mccarty, P. (2001) Metcalf & Eddy (2003). 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 37 
 
Tabla 3 
 
Reactivos Utilizados en Caracterización de Muestras de ARD 
 
Reactivo Marca Identificación Rango 
Kit fosfatos HACH 21060-69 0,02 – 
2,5 mg/L de PO4 
Kit de cloruros HACH 24441-00 0,1 -10 
mg/L NO3 Y 0,3 
– 3 mg/L NO3 - 
N 
Kit de Nitratos HACH 21061-69 0,002- 
0,3 mg/L NO2- 
N 
Kit de nitritos HACH 21071-69 N.A 
Caldo Fluorocult MERCK 1.10620.0500 N.A 
Medio de cultivo 
Chromocult 
OXOID CM1046 N.A 
Nota. Reactivos utilizados por marcas comerciales en la medición de parámetros químicos y 
microbiológicos. 
Materiales. 
Tabla 4 
 
Equipos de Laboratorio 
 
Equipo Justificación Identificación 
Nevera Conservar muestras 
LG GC – 132Sserial: 2008TRZY0C005, LG 
GC-131S 003TRYD02010 
Colorímetros Medición de absorbancias 
HACH DR 890 y 900 seriales: 
120690C90242 y 171280001055 
Termo reactor Medición de DQO HACH DRB serial: 11060C0139 
Vortex Homogenización de muestras Velp scientifica F202A0173 serial: 205240 
Muflas Determinación de solidos 
E&O MD2.2 209 y PINZUAR PG191 
serial : 144 
Horno Determinación de solidos 
BINDER FD-S 115 serial: 
20180000014595 
 
Balanzas 
Preparación de medios y determinación 
de solidos 
Precisa XB220A serial : 3105266 y 
OHAUS PIONNER 3200 serial: 
B612258646 OHAUS PIONNER3200 
serial: B6122401108 
Cabina Esterilización para inocular anaerobios Esco Clase II BSC serial : 116726 
 
Incubadoras 
Incubación de las muestras para el 
cultivo microbiano 
BINDER serial: 970506 , HAC BOD 
TRACK II , serial : 15040CD05408 y 
MERMMERT ALEMAN 160 single display 
D 516.0036 y BINDER WTB 960384 
Autoclave Esterilización del material sucio y limpio 
CI DENTAL automat 15000 serial: 150- 
0018 
Microscopios 
Observación de microorganismos de 
interés 
Leica DM 750P Serial: 11804007 
Bomba de vacío Determinación de solidos 
ROCKER serial: 16741-11-AIEA026 y 
Rocker 410 167410-11-AIEA029 
Espectrofotómetro Medición de absorbancias PROVE 300 Merck serial: 1927314131 
Nota. Equipos utilizados en la medición de los parámetros presentes en el documento 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 38 
 
TerceraFase. Determinación y Análisis Comparativo de Cinéticas Microbianas 
 
En esta fase se determinaron las cinéticas microbianas en cada uno de los procesos 
conforme al comportamiento microbiano y se definieron las características de cada proceso. 
Luego, junto con los resultados de la etapa anterior, en esta fase se procedió a calcular la 
cantidad de inóculo, sustrato y producto en cada uno de los procesos. Así, se logró elaborar la 
esquematización del análisis comparativo de la calidad del efluente de los tres procesos. 
El análisis de cinéticas microbianas para las muestras de ARD caracterizadas partió de la 
determinación de coeficientes de la cinética del crecimiento microbiológico. Para determinar esta 
cinética de crecimiento se tomaron muestras de ARD tratadas en sistemas aerobio, anaerobio y 
mixto. En los sistemas los microorganismos contaban con condiciones óptimas para su 
crecimiento: pH entre 7,1 y 7,9; temperatura de 20,1- 23,6 °C y oxígeno suficiente. Los datos 
obtenidos del análisis de cinéticas microbianas se cruzaron con los resultados de la 
caracterización físico-química y microbiológica mencionados en el capítulo anterior y con 
observaciones microscópicas. 
Figura 3 
 
Metodología 
 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 39 
 
Estado del Arte 
 
Recordando lo mencionado en el planteamiento del problema, el agua se ha convertido en 
un recurso cada vez más escaso en el ámbito global, especialmente por las características de la 
vida urbana actual que urgen una mayor producción de agua. Además, cada día aumenta la 
descarga de aguas residuales e incluso ha variado la composición de los vertimientos. Esta 
cuestión ha llevado a considerar el tratamiento de aguas residuales como asunto de suma 
importancia para el desarrollo humano mundial. 
En ese sentido, son pertinentes los estudios realizados que afirman que las PTAR son 
infraestructuras que garantizan la seguridad del medio acuático y ayudan a lograr un desarrollo 
urbano sostenible, al jugar un papel vital en la protección de las aguas locales y por ello se debe 
garantizar un funcionamiento eficiente y estable (Zhang et al, 2019). 
En el contexto mundial, mientras en Europa y Norteamérica se usa principalmente la 
tecnología aerobia para el tratamiento de aguas residuales, en países como Colombia, Brasil, 
México, China o India se han adaptado tecnologías de tratamiento anaerobio, “destacándose la 
aplicación de reactores anaerobios de manto de lodos y flujo ascendente, conocido como UASB, 
por su sigla en inglés Upflow Anaerobic Sludge Blanket” (Kujawa-Roeleveld y Zeeman, 2006). 
Por los incrementos de costos y disponibilidad de terrenos al ritmo del crecimiento 
urbano, el Reactor de Flujo Ascendente (RALF) o UASB presenta ventajas que lo hacen un 
proceso competitivo en los ámbitos tecnológico y económico frente otros procesos 
convencionales. 
A escala industrial es el reactor anaerobio más utilizado ya que en un estudio constituyó 
739 (64,5%) de las 1229 unidades de tratamiento anaeróbico, además Japón, Alemania, Holanda, 
Estados Unidos e India son los países líderes con estas instalaciones (Gandarillas y otros, 2017). 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 40 
 
Los países pioneros en el ámbito mundial en “la aplicación de la tecnología anaerobia con 
reactores UASB para el tratamiento de aguas residuales domésticas en condiciones de clima 
tropical” (Torres, 2012) son Brasil y Colombia. En este último, se destacan los estudios de 
Schellinkhout y Collazos, cuyas investigaciones en PTAR pilotos a escala de aplicación de 
UASB en tratamiento de aguas residuales resultaron en diseño, construcción y operación inicial 
de una planta de “160, 000 PE (31, 000 m3/d, 8 MGD) en Colombia, consta de una serie 
compuesta por un reactor UASB y una laguna facultativa, describiendo las posibilidades y 
limitaciones del uso de hormigón prefabricado como material de construcción. 
El costo de la construcción de la planta fue de 17 USD per cápita, junto con el costo de 
operación y mantenimiento ascendió a 150 USD per cápita” (Schellinkhout y Collazos, 1992). 
En Brasil sobresalen los estudios adelantados por Vieira y García acerca de un reactor de 
120 m3 para tratamiento de aguas residuales domésticas, diseñado y construido “basado en los 
resultados obtenidos mediante la operación de una unidad piloto de 106 L. Este sistema se operó 
durante cuatro años con fines de demostración y desarrollo tecnológico” (Vieira y García, 1992). 
De otro lado, estudios de van Haandel y Lettinga en un reactor de 160 m3 cuyos 
desarrollos a partir de datos experimentales de expresiones empíricas para la reducción de DQO, 
confirmaron que el reactor UASB es uno de los más eficientes entre varias modalidades de 
tratamiento anaerobio (van Haandel et al, 2006 citado por Torres, 2012). 
En síntesis, las experiencias colombiana y brasileña han sido referentes mundiales para la 
difusión e implementación de la tecnología UASB aplicada al tratamiento anaerobio de ARD, en 
América Latina y en otros países como Egipto, Islas Mauricio, China e India (Wiegant, 2001). 
La atención en los últimos años se ha enfocado hacia el desarrollo de sistemas de 
depuración efectivos, incluyendo procesos terciarios que implementan procesos continuos con 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 41 
 
eliminación de carga orgánica y nutriente. Como una alternativa a estos sistemas de tipo 
continuo se han utilizado sistemas de tratamiento biológico de lodos activados de flujo 
discontinuo, cuyas fases de reacción y decantación se realizan en un solo tanque llamado Reactor 
Biológico Secuencial (RBS) (Cárdenas et al, 2012). 
Con la finalidad de mejorar la calidad del agua en tratamiento de aguas residuales del 
centro de Maricultura de Waddle (Carolina del Sur E.U.), se realizó un RBS para el tratamiento 
de aguas residuales generadas por la industria camaronera, como una variación del proceso de 
tratamiento biológico de lodos activados. 
Este proceso utilizaba varios pasos en un mismo tanque, reemplazaba múltiples tanques y 
se lograba la corrección del pH, la aireación y la clarificación en una secuencia cronometrada en 
un tanque simple (Torres y Yauri, 2019). 
Con respecto al avance del sistema de lodos activados, este fue desarrollado en Inglaterra 
en 1914 por Arden y Lockett y consistía básicamente el contacto de aguas residuales con floc 
biológico, previamente formado en un tanque de aireación (Romero, 2016). 
El proceso de mezcla completa fue mejorado Kraus, operador de una planta en Illinois en 
1955, para tratamiento de aguas residuales con concentración alta de carbohidratos y deficientes 
en nitrógeno. Años más tarde Smith y Eckenfelber desarrollaron el proceso de estabilización y 
contacto que saca ventajas de las características adsortivas del lodo activo, proceso que se basa 
en el fenómeno de biosorción, que ocurre en lodos activados (2016). 
En 2011, Mardani y otros, con su investigación titulada Determination of Biokinetic 
Coefficients for Activated Sludge Processes on Municipal Wastewater determinaron los 
coeficientes y la eficiencia biocinética para tres procesos de lodos activados que incluyen la 
aireación convencional y prolongada y la estabilización por contacto a escala piloto, durante un 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 42 
 
periodo de seis meses en la planta de tratamiento de aguas residuales municipales del sur de 
Isfahán (Irán). 
Los resultados mostraron una eficiencia de eliminación de DQO que variaba para el 
proceso convencional entre 83 y 92,5%, para el proceso de aireación extendida entre 88 y 93,8% 
y para el proceso de estabilización por contacto 77 y92%. La DQO del efluente se simuló 
utilizando los coeficientes de biocinética determinados durante el estudio (Mardani, 2011). 
En Colombia, la primera planta piloto en aplicar la tecnología anaerobia con reactoresUASB para tratamiento de ARD en condiciones de clima tropical fue la PTAR de 64m3 
construida en Cali en el año de 1982, “habiéndose obtenido a una temperatura de 25°C resultados 
satisfactorios, con eficiencias de reducción de DQO y DBO mayores de 75 %” (Schellinkhout et 
al., 1985; Lettinga et al., 1987 citados por Torres, 2012). Años más tarde en la misma región del 
Valle del Cauca, se construyó la PTAR Vivero con capacidad para tratamiento de AR para una 
población aproximada de 20.000 habitantes. Luego, se construyó la ya mencionada PTAR Río 
Frío, “la planta de mayor escala del país con esta tecnología (población equivalente 300 mil 
habitantes) que en la actualidad reporta eficiencias de reducción para DBO5 del 73 %” 
(Aparicio, 2008). 
De acuerdo con la Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios (Superservicios) 
se identificaron 622 plantas de tratamiento municipales en 2014 y 682 en 2017. En otras 
palabras, sólo el 48,2% o 541 municipios de 1122 ciudades colombianas tienen PTAR. La 
Superservicios también reportó que las principales PTAR de Colombia son “Cañaveralejo” en 
Santiago de Cali, “PTAR Salitre Fase I” en Bogotá, “San Fernando” en el Valle de Aburrá y la 
“PTAR Río Frío” en el Área Metropolitana de Bucaramanga, que reportan tendencias de agua 
residual tratada de 25,8, 26,7 y 27,7 m3/s, de 2015 a 2017 (Superservicios, 2018). 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 43 
 
Tabla 5 
 
Tendencia de Flujo de Agua Residual Tratada en Colombia 2014-2017 
 
Año Flujo de Agua Residual 
Tratada 
(litros por segundo) 
2014 28.019 
2015 25.779 
2016 26.706 
2017 27.734 
Nota. Flujo de agua residual tratada durante 4 años. Adaptado de Superservicios, 2018. 
 
Como se observa en la tabla anterior, la cantidad de agua tratada ha disminuido con el 
transcurrir del tiempo y por ende la situación de saneamiento básico de la población colombiana. 
En su mayoría las PTAR colombianas aplican sistemas de tratamiento aeróbicos o de 
lodos activados (Lizarazo y Ortega, 2013). Pero, de acuerdo con el Plan Nacional de 
Tratamiento de Aguas Residuales Municipales, se desconocen porcentajes reales de remoción de 
materia orgánica, desempeños de operación, evaluaciones de los sistemas de tratamiento 
seguidos en la actualidad y flujos de agua residual tratada vertida a fuentes hídricas. Sin 
embargo, en este plan se estima que solo el 10% de las PTAR de Colombia tuvieron operaciones 
aceptables y garantizaron funcionamientos anuales (Ministerio de Ambiente, Vivienda y 
Desarrollo Territorial de Colombia -MAVDT-, 2004). 
Por último, es necesario reconocer que en Colombia no se encuentran una tendencia 
estandarizada de selección del tratamiento biológico para remover la materia orgánica en 
sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas, sino que se recurre a decidir entre tanto 
sistemas aerobios, anaerobios como facultativos o la combinación de estos (Méndez, 2011). 
En el ámbito regional, la Corporación Autónoma Regional para la Defensa de la Meseta 
de Bucaramanga (CDMB) realizó diversos estudios, entre ellos el “Plan Integral de Saneamiento 
Ambiental y su Área Metropolitana, con las firmas consultoras Hidroestudios Ltda. y Black and 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 44 
 
Veatch de Kansas City en 1981” (Gavassa, 2005). Estos estudios fueron previos a los inicios de 
la construcción de la PTAR Río Frío en 1985, cuando se sugirió el tratamiento de aguas 
residuales mediante la tecnología UASB. 
Más tarde, entró en operación la Laguna Facultativa, que se trata de otro sistema de 
tratamiento que consiste en la circulación del agua residual por una laguna profunda, cuya parte 
superior funciona como laguna aerobia, en su parte inferior como laguna anaerobia y en el 
estrato intermedio comprende una zona facultativa con presencia de microorganismos 
facultativos (2005). 
También con la asesoría de ingenieros holandeses, en 1988 se hicieron los estudios y 
“diseño de la PTAR Río Frío para la zona sur con reactores anaeróbicos tipo UASB con una 
capacidad para 160.000 habitantes…durante el periodo de 1988-1990 se construyó la PTAR Río 
Frío” (2005), que fue inaugurada ese último año. 
Así, la ciudad de Bucaramanga y su Área Metropolitana contaron para esa época con la 
tercera PTAR construida para el tratamiento de aguas residuales y descontaminación hídrica en 
Latinoamérica (Figuras 2 y 4). 
En el ámbito local, en la PTAR El Santuario (¡Error! No se encuentra el origen de la 
referencia.), situada en la vereda Guatiguará en el municipio de Piedecuesta, La Piedecuestana, 
Empresa Servicios Públicos (ESP) terminó las obras de fase III de la primera etapa de esa PTAR 
en el año 2017. 
Con una capacidad de 224 L/s para el tratamiento diario del 100% de las aguas residuales 
domésticas municipales, se devuelve un porcentaje entre 90-95% de remoción mediante el 
desarrollo de un proceso biológico aerobio en tanques aireadores para finalmente verter el agua 
tratada a la quebrada Suratoque y al Río de Oro. (Piedecuestana, 2017). 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 45 
 
 
 
Figura 4 
 
Ubicación PTAR Río Frío 
 
Nota. Mapa ilustrando la distribución del área metropolitano, para la captura de agua. Tomado de Plan 
Estratégico 2016-2020 Empresa Pública de Alcantarillado de Santander (EMPAS). 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 46 
 
Figura 5 
 
PTAR El Santuario 
 
Nota. PTAR el santuario (tratamiento aerobio tipo RBS). Tomado de https://piedecuestanaesp.gov.co/ 
Tabla 6 
 
Principales Características de los Procesos Aerobios y Anaerobios 
 
Característica Tratamiento Aerobio Tratamiento Anaerobio 
Remoción de materia 
orgánica 
Alta Alta 
Calidad del efluente Excelente, posee del 5 -15% de 
DQO inicial 
Moderada o pobre, posee del 10 - 
30% de DQO inicial 
Producción de lodos Moderada, el lodo corresponde al 
30 – 40 % de DQO inicial, el cual 
requiere de un postratamiento para 
generar una mejor degradación de 
los compuestos. 
Alta, los lodos se encuentran con 
una cantidad baja de solidos de 2 a 
8 veces inferior al que ocurre en 
procesos aerobios, el lodo 
corresponde al 5 -15% del DQO 
inicial. 
Potencial Buffer Bajo, ya que al contener un 
consorcio diverso presenta la 
capacidad de degradar compuestos 
que posean características distintas 
Alto, para algunos residuos que 
pueden contener altas cantidades 
de grasas y aceites se requiere una 
estabilización del reactor para no 
generar acidificación 
Requerimiento de energía Alto, la mayoría del DQO inicial se 
convierte en dióxido de carbono 
(40- 50%) por medio de reacciones 
de oxidación que requieren una 
concentración constante de 
oxígeno. 
Baja, la biomasa se puede 
preservar sin necesidad de 
alimentar el reactor por varios 
meses. 
Sensibilidad a temperatura Baja, el reactor posee la capacidad 
de nivelar los niveles de 
Alta, se recomiendan climas 
trópicos ya que los 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 47 
 
 
 temperatura al tener reacciones 
endo y exotérmicas 
microorganismos anaerobios son 
termófilos y prefieren la 
temperatura de 37°C 
Tiempo de puesta en marcha 2 – 4 semanas, el tiempo de 
estabilización puede ser mayor 
dependiendo de la constancia en la 
carga de oxígeno diaria. 
2 – 4 meses, en caso de tener lodo 
semilla o inoculo el procedimiento 
disminuye en tiempo. 
Olor No genera malos olores Las reacciones anaerobias pueden 
generar malos olores por los 
subproductos. 
Subproductos Dióxido de carbono Metano y dióxido de carbono 
Nota. Características de los procesos aerobios y anaerobios, para aguas residuales domésticas. Tomado 
de Chernicharo, 2013 y Amin Goli, 2019 
 
Para finalizar este estado del arte fue necesario identificar trabajos relacionados no 
solamente procesos de remoción biológica como lo son el aerobio y el anaerobio, sino que 
también se deben comprender procesosmixtos en los cuales se encuentran reacciones que 
involucran la oxidación y reducción de varios compuestos y dan como resultado un proceso 
aerobio – anaerobio. En ese sentido, en un Review on Anaerobic – Aerobic Treatment of 
Industrial and Municipal Wastewater (Chan et al, 2009), los autores realizaron un análisis sobre 
técnicas de tratamiento de agua residual que combinan reacciones en presencia o ausencia del 
oxígeno como aceptor final de electrones. Así, compararon los tratamientos aeróbico y 
anaeróbico (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.), el uso de reactores (¡Error! 
No se encuentra el origen de la referencia.) y tipos de sistemas de tratamiento combinado 
(¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.). 
Tabla 7 
 
Comparación de Tratamientos Aeróbico y Anaeróbico 
 
Característica Aerobio Anaerobio 
Eficiencia remoción orgánica Alto Alto 
Calidad efluente Excelente Moderado a bajo 
Promedio de carga orgánica Moderado Alto 
Producción de sludge Alto Bajo 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 48 
 
 
 
Requerimientos de nutrientes Alto Bajo 
 
 
Requerimientos de alcalinidad 
 
 
Bajo 
Alto para desperdicios 
industriales 
Requerimientos energéticos Alto Bajo a moderado 
Sensibilidad a la temperatura Bajo Alto 
Tiempo de inicio 2-4 semanas 2-4 meses 
 
Olor 
 
Poca presencia de olor 
Problemas potenciales de 
olor 
Recuperación de bioenergía y 
nutrientes 
 
No 
 
Si 
 
Tipo de tratamiento 
Total (dependencia de las 
características de alimentación) 
 
Pretratamiento 
Nota. Comparación de las características operativas del tratamiento aerobio y anaerobio. Tomado de Chan 
et al, 2009. 
 
 
Tabla 8 
 
Uso de Reactores en Sistemas Combinados Aeróbico y Anaeróbico 
 
 
Procesos 
 
Tipo de 
Agua 
Efluente 
COD 
(mg/L) 
 
OLR (kg 
COD/m3d) 
Total de 
COD 
removido 
(%) 
COD 
anaeróbico 
removido 
(%) 
COD 
aeróbico 
removido 
(%) 
Total 
HRT 
(h o d) 
HRT 
anaeróbico 
(h o d) 
 
HRT 
(h o d) 
UASB+ CSTR Domestica 
499- 
2000 
- 83-97 51-84 - 3,3 d 17 h - 
 
UASB+AS 
Domestica 
+ Industria 
aceite de 
oliva 
 
1800- 
4400 
 
3 - 7 
 
95-96 
 
70-90 
 
>60 
 
28.3 
 
14.7 
 
13.6 
UASB + AS Domestica 
386 – 
958 
- 85 – 93 69 - 84 43 - 56 6.8 4 28 
 
UASB + AFB 
Industria 
textil y 
domestica 
 
2700 
 
4.8 
 
80 
 
50 
 
60 
 
20 
 
10 
 
10 
UASB + 
Sistema de 
contacto sólido 
aerobio 
 
Domestica 
 
341 
 
2.6 
 
- 
 
34 
 
- 
 
3.53 - 
6.2 
 
3.2 
 
0.33 - 
3 
Nota. Procesos combinados que se han simulado para agua residual doméstica y evaluar su 
funcionamiento. Tomado de Chan et al, 2009. 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 49 
 
Marco Referencial 
 
Marco Conceptual 
 
Un concepto fundamental en este trabajo fue el de tratamiento de ARD. Esta expresión 
implica la conceptualización de un pretratamiento y tres tratamientos, a saber: el tratamiento 
preliminar o pretratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario y tratamiento terciario. 
El tratamiento preliminar, también llamado pretratamiento, se fundamenta en la 
eliminación de residuos que se puedan separar con facilidad, ya sea por el tamaño o por su 
naturaleza, mediante la distribución de materiales flotantes en el agua y la remoción de partículas 
que pueden llegar a interferir en procesos posteriores. 
El tratamiento primario consiste en una clarificación del agua residual a partir de la 
creación de sólidos de mayor tamaño, compuestos por pequeñas partículas. Los procedimientos 
de pretratamiento más conocidos: coagulación, floculación y sedimentación (Cruz y Herrera, 
2018) 
El tratamiento secundario o tratamiento biológico tiene como finalidad la reducción de la 
materia orgánica presente en las aguas residuales, mediante su conversión en materia orgánica 
disuelta. 
Esto se realiza por medio de procesos biológicos que pueden ser aerobios, anaerobios, 
facultativos o la combinación de estos, dependiendo de la presencia o ausencia del oxígeno como 
aceptor final de electrones en el proceso de descomposición de la materia. 
El tratamiento terciario, también llamado ‘tratamiento avanzado’. Este tratamiento tiene 
como objetivo sustraer sustancias que permanezcan en las aguas aun después de todos los 
tratamientos anteriores para estabilizar el agua que va a verterse a la fuente hídrica (Ureta, 2020). 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 50 
 
Figura 6 
 
Tipos de Sistemas Combinados 
 
 
Nota. Tomado de Chan et al, 2009. 
 
Aquí vale aclarar que el presente trabajo centra su atención en los procesos 
biotecnológicos seguidos en el tratamiento secundario, que comprende la degradación de la 
materia orgánica disuelta, con un porcentaje significativo de remoción, pero que hoy por hoy se 
realiza todavía de manera heurística, conforme al desconocimiento sobre la fisiología microbiana 
que interviene para generar la conversión de los carbohidratos, proteínas o grasas que se 
encuentran disueltas en el agua. 
Siguiendo con los principales conceptos utilizados en esta investigación está el término 
Biotecnología. Inicialmente es necesario diferenciarla de la biociencia, que es aquella entendida 
como la ciencia que enseña la organización interna de un organismo vivo, mientras que la 
biotecnología utiliza organismos vivos para un beneficio humano. Curiosamente los frutos de la 
biotecnología son evidentes en la vida cotidiana, pero a veces no nos damos cuenta. A pesar del 
desconocimiento general de la definición formal de biotecnología “una cosa es cierta, todos nos 
hemos beneficiado de productos como el yogurt, el queso, los antibióticos, detergentes y las 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 51 
 
vacunas” (Khan, 2020). En ese orden de ideas, este proyecto se concentra en la evaluación del 
proceso biotecnológico de tratamiento de aguas residuales en sistema combinado tipo UASB y 
de Reactor Biológico Secuencial. 
Asimismo, en la Agenda de Biotecnología, publicada por la Universidad Nacional de 
Colombia en 2013, entre las clasificaciones actuales de biotecnología moderna se proponen 
cinco campos de acción: “biotecnología en salud humana (incluye aplicaciones en alimentos), 
biotecnología animal, biotecnología industrial, biotecnología vegetal y biotecnología ambiental” 
(Universidad Nacional de Colombia- UNAL-, 2013). Dentro de esta tipología, el presente 
trabajo investigativo se sitúa disciplinariamente en la Biotecnología ambiental, que comprende el 
uso de la biotecnología implicando la teoría y el enfoque hacia procesos o productos que 
influyan en el ambiente (Fulekar, 2010). 
Indiscutiblemente, otro concepto importante aquí es el del agua y principalmente el agua 
contaminada, que es aquella que se produce cuando una o más sustancias modifican las 
características del agua de alguna manera negativa y pueden causar problemas a las personas o 
animales (Crini y Lichtfouse, 2019). Comúnmente el agua contaminada deriva en agua residual. 
Las aguas residuales son subproductos de actividades domésticas, industriales, comerciales o 
agrícolas que se han convertido en un problema de carácter mundial (Xiang, 2020). 
Las aguas residuales generalmente contienen materia orgánica, materia inorgánica y 
organismos vivos (Aydin et al, 2017). Para medir el estado del ARD actualmente se tienen en 
cuenta los Índices de calidad del agua, “la metodología Delphi que utiliza como mínimo nueve 
parámetros Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5), Oxígeno Disuelto (OD), coliformes 
fecales, nitratos (NO3-), pH, cambio de temperatura, sólidos disueltos totales (SDT), fosfatos 
totales y turbiedad” (Samboni, 2007) y parámetros físico-químicos y microbiológicos: 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 52 
 
Características Físicas de ARD a Medir con Parámetros Físicos. 
 
 Sólidos: materia orgánica o inorgánica presente en el aguaen forma disuelta o en 
suspensión. Se determina cuantitativamente en mg/l. Entre ellos están: 
 Materia flotante 
 
 Sólidos Totales (ST) 
 
 Sólidos Sedimentables (SS) 
 
 Sólidos Suspendidos Totales (SST) 
 
 Sólidos Disueltos Totales (SDT) 
 
 Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV) 
 
 Olor: producto de gases liberados durante el proceso de descomposición de la 
materia orgánica (sulfato de hidrógeno, metano y oxígeno). Se determina 
cualitativamente. 
 Temperatura: suele ser más elevada al agua suministrada debido principalmente a 
la incorporación de aguas con mayor temperatura procedente de diferentes usos. Se 
determina cuantitativamente en grados Celsius (°C). 
 Densidad: definida como masa por unidad de volumen, expresada en kg/m3. 
 
 Color: representa el tiempo de existencia del agua como agua residual. Se determina 
cualitativamente o cuantitativamente de manera espectrofotométrica. 
 Turbiedad: se trata de la calidad de las aguas vertidas en relación con la materia 
coloidal y residual en suspensión. Se determina cualitativamente. 
Características Químicas de ARD a Medir con Parámetros Químicos. 
 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) 
 
 Demanda Química de Oxígeno (DQO) 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 53 
 
 Grasas y aceites 
 
 Compuestos Orgánicos Volátiles (COV) 
 
 pH 
 
 Nitrógeno total 
 
 Nitrógeno amoniacal 
 
 Nitratos 
 
 Nitritos 
 
 Fósforo total 
 
 Sustancia Azul de Metileno (SAM) 
 
 Arsénico 
 
 Cadmio 
 
 Sulfato 
 
 Cianuro 
 
 Zinc 
 
 Cobre 
 
 Mercurio 
 
 Níquel 
 
 Plomo 
 
 Bario 
 
 Dureza Total (DT) 
 
 Alcalinidad Total (AT) 
 
 Sílice 
 
 Cloruros 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 54 
 
 Azufre 
 
 Cloro 
 
Microorganismos Presentes en ARD a Medir con Parámetros Microbiológicos. 
 
Aunque no se han estandarizado parámetros microbiológicos en TARD, es bien sabido 
que en el agua residual se encuentran presentes microorganismos que pueden identificarse y 
medirse con test microbiológicos. 
Los microorganismos presentes en ARD son procariotas (organismos con un núcleo no 
definido) y eucariotas (seres con un núcleo evolucionado o envuelto) (Figura 7). Dentro de esa 
clasificación predominan tipos de microorganismos hongos (Figura 8), bacterias (Figura 9), 
protozoarios (Figura 10), virus (Figura 11), algas (Figura 12) y arqueas (Figura 13). 
Figura 7 
 
Microorganismos Presentes en Aguas Residuales 
 
Nota. Microorganismos presentes en agua residual doméstica. Adaptado de 
https://www.oocities.org/edrochac/residuales/microbiologia1.pdf 
https://www.oocities.org/edrochac/residuales/microbiologia1.pdf
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 55 
 
 Hongos. En las aguas residuales se encuentran principalmente levaduras y los 
filamentosos (Figura 8) 
Figura 8 
 
Hongos Presentes en Aguas Residuales 
 
Nota. Hongos presentes en agua residual doméstica. Tomado de 
https://www.dicyt.com/viewItem.php?itemId=22166. 
 
 Bacterias. Se dividen en gram positivas y gram negativas por la tinción de gram, 
que permite identificar las características que posee la membrana celular de las bacterias, y, por 
ende, sus mecanismos de acción en las aguas residuales. En el agua residual predominan 
especies de bacterias de Escherichia y bacterias coliformes (Figura 9). 
Figura 9 
 
Bacterias Presentes en Aguas Residuales 
 
Nota. Se muestran los géneros de microorganismos coliformes totales y fecales. Fuente: Modificado de 
http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/demos/simulacion/modulos/curso/uni_03/images/U3C3S704 
.gif. 
https://www.dicyt.com/viewItem.php?itemId=22166
http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/demos/simulacion/modulos/curso/uni_03/images/U3C3S704
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 56 
 
 Protozoarios. Entre los protozoos que se encuentran frecuentemente en aguas 
residuales están las amebas, flagelados y ciliados libres (Figura 10). 
Figura 10 
 
Protozoos Presentes en Aguas Residuales 
 
Nota. Entre los protozoos se encuentran las amebas y los protozoos ciliados. Adaptado de 
https://www.oocities.org/edrochac/residuales/microbiologia1.pdf.http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/demos/simul 
acion/modulos/curso/uni_03/images/U3C3S704.gif 
 
 Virus. El agua puede ser una de las principales vías de transmisión de agentes 
infecciosos como los virus, más aún si se trata de aguas residuales. Entre los principales virus 
identificados en agua están “Los virus entéricos que incluyen especies de diferentes familias y 
los más representativos por su impacto en la salud humana (polio, virus huérfano citopático 
entérico humano - ECHO, virus Coxsackie), los astrovirus, los adenovirus, los ortorreovirus, los 
calicivirus (norovirus y sapovirus) y los virus de las hepatitis A y E (3-5)” (Fong y Lipp citados 
por Peláez y otros, 2016). Asimismo, puede hallarse el Coronavirus en aguas residuales pues 
“Recientes estudios desarrollados sobre la excreción en heces del coronavirus asociado al 
síndrome respiratorio severo agudo (SARS) han demostrado la excreción de este nuevo patógeno 
emergente (que se diseminó de forma global a principios del año 2003) mediante técnicas de 
RTPCR en muestras clínicas de heces en un promedio de 27 días pudiendo a llegar en algunos 
casos a 126 días” (Bonfil-Mas y otros, 2005). Igualmente, en 2020 Hai Nguyen Tran y otros 
http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/demos/simul
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 57 
 
realizaron una revisión crítica de la presencia de coronavirus (Covid 19) en aguas residuales 
(Figura 11). 
Figura 11 
 
Coronavirus Presente en Aguas Residuales 
 
Nota. Ciclo del Covid en fuentes acuíferas. Adaptado de H.N. Tran y otros, 2021 
 
Figura 12 
 
Algas Presentes en Aguas Residuales 
 
Nota. Adaptado de 
https://www.oocities.org/edrochac/residuales/microbiologia1.pdf.http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/de 
mos/simulacion/modulos/curso/uni_03/images/U3C3S704.gif. 
http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/de
http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/de
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 58 
 
 Arqueas. En aguas residuales se encuentran arqueas (Figura 13), en su mayoría 
quimilitótrofas y autótrofas que pueden generar metano a partir de tres tipos principales de 
sustratos (Ferry, 2010), característica según la cual se distinguen tres subgrupos fisiológicos 
diferentes (Díaz y otros, 2014): 
a) Sustratos tipo CO2 (CO2, CO, formiato) que son reducidos con H2 
(donador de electrones) por las arqueas metanógenas hidrogenotrófas. Son las 
mayoritarias en los digestores anaerobios. 
b) Sustratos metilados (metanol, metilaminas). Las metilaminas también 
pueden ser utilizadas como fuente de nitrógeno por las arqueas metanógenas metilotrófas. 
c) Acetato: las arqueas metanógenas acetotrófas o acetoclásticas producen la 
descarboxilación del acetato, reacción conocida como acetoclástica. 
Figura 13 
 
Arqueas 
 
Nota. Microscopia de las archaeas presentes en reactores. Fuente: Salazar, 2008. 
https://repositorio.umsa.bo/bitstream/handle/123456789/242/TM-1735.pdf?sequence=1&isAllowed=y. 
 
Otro concepto de gran importancia en este trabajo fue el de Cinética microbiana. “la 
cinética microbiana es aquel desarrollo de un bioproceso que permite evaluar rendimientos y 
productividades, que son datos importantes para la generación de estrategias de optimización 
y producción de procesos” (Duarte, 1995). 
PROCESO BIOTECNOLÓGICO AEROBIO ANAEROBIO Y COMBINADO 59 
 
Dado que los reactores contienen un cultivo que debe mantener una cantidad de 
microorganismos en crecimiento hasta un momento cuando la escasez de nutrientes exige un 
cambio de las condiciones, se ha determinado como cultivo el monofásico o de tipo batch 
fundamentado en las etapas de crecimiento que presentan los microorganismos. Esto se entiende 
como la curva de crecimiento microbiano,