El papel del biofilm en un biofiltro MBBR
En un biofiltro de lecho móvil (MBBR – Moving Bed Biofilm Reactor), los soportes biológicos únicamente proporcionan el soporte físico para el tratamiento del agua. La verdadera depuración es realizada por el biofilm, una comunidad compleja de bacterias, arqueas, protozoos y otros microorganismos que colonizan progresivamente la superficie de los medios biológicos.
En un sistema de acuicultura en recirculación (RAS – Recirculating Aquaculture System), los peces liberan continuamente amoníaco (NH₃/NH₄⁺), principalmente a través de las branquias. A esto se añade el nitrógeno procedente de la descomposición del alimento no consumido, las heces y otras materias orgánicas presentes en el circuito. Sin un tratamiento biológico adecuado, estos compuestos se acumulan rápidamente y se vuelven tóxicos para los organismos cultivados.
La función principal del biofilm es transformar estos compuestos nitrogenados mediante el proceso de nitrificación. Esta reacción biológica se desarrolla en dos etapas sucesivas. En una primera fase, las bacterias oxidantes del amoníaco convierten el amonio en nitritos. En una segunda fase, las bacterias oxidantes de nitrito transforman los nitritos en nitratos, mucho menos tóxicos para los peces y más fáciles de eliminar mediante renovación de agua o procesos de desnitrificación.
?? English translation
However, a high-performance biofilter does not depend solely on the presence of nitrifying bacteria. The biofilm is a true ecosystem in which microorganisms with complementary functions coexist. Heterotrophic bacteria contribute to the degradation of dissolved organic matter, certain archaea are also involved in the nitrogen cycle, while protozoa naturally regulate bacterial populations. These biological interactions contribute to the stability and efficiency of the biofilter.
The three-dimensional organization of the biofilm also plays an essential role. The extracellular polymeric substances (EPS) matrix forms a porous structure crossed by microchannels that allow the circulation of water, oxygen, and nutrients throughout the different layers of the biofilm. This architecture promotes the simultaneous development of several bacterial populations and enables the biofilter to maintain high biological activity despite variations in organic loading.
The performance of an MBBR biofilter therefore depends on a set of parameters that go far beyond the simple volume of installed carriers. Reactor hydraulics, media filling ratio, mixing intensity, dissolved oxygen concentration, pH, alkalinity, temperature, and organic loading directly influence biofilm growth and nitrification performance.
The natural renewal of the biofilm is also a fundamental element of its operation. Due to collisions between biological carriers and hydraulic shear forces, the oldest surface layers gradually detach. This phenomenon, often incorrectly considered as a loss of biomass, is actually essential. It maintains a young, active, and sufficiently permeable biofilm, allowing efficient exchanges of oxygen and nutrients. The deeper layers remain attached to the biological carriers and provide the foundation for the development of new bacterial populations.
For an aquaculture engineering company, the design of an MBBR biofilter is therefore not limited to calculating the specific surface area of biological media. It requires a comprehensive approach integrating carrier characteristics, nitrification kinetics, reactor hydraulics, oxygen requirements, fish ammonia production, recirculation objectives, and operational constraints. A properly designed biofilter must provide favorable conditions for the development of a stable biofilm capable of adapting to variations in fish biomass while maintaining consistent water quality.
This global approach explains why two biofilters using identical biological carriers can achieve very different performances. The quality of the media is an important factor, but it cannot compensate for poor hydraulic design, insufficient oxygen supply, or inadequate management of organic loading.
The biofilm represents the true biological core of MBBR biofilters. It is responsible for nitrification, contributes to organic matter degradation, and ensures the biological stability of RAS systems. The plastic carriers are ultimately only the habitat where this complex microbial community develops.
The design of an efficient biofilter therefore relies on a deep understanding of the biological mechanisms governing biofilm formation, growth, and renewal. For engineering companies, designers, and operators, this approach makes it possible to optimize system sizing, improve production safety, and reduce operating costs.
Not all MBBR biological carriers are equivalent. Understanding these differences is essential to optimizing biofilter performance and designing increasingly efficient RAS systems.
?? Traducción al español
Sin embargo, un biofiltro de alto rendimiento no depende únicamente de la presencia de bacterias nitrificantes. El biofilm es un verdadero ecosistema en el que conviven microorganismos con funciones complementarias. Las bacterias heterótrofas participan en la degradación de la materia orgánica disuelta, determinadas arqueas también intervienen en el ciclo del nitrógeno, mientras que los protozoos regulan de forma natural las poblaciones bacterianas. Estas interacciones biológicas contribuyen a la estabilidad y eficacia del biofiltro.
La organización tridimensional del biofilm también desempeña un papel fundamental. La matriz de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) forma una estructura porosa atravesada por microcanales que permiten la circulación del agua, el oxígeno y los nutrientes hacia las diferentes capas del biofilm. Esta arquitectura favorece el desarrollo simultáneo de varias poblaciones bacterianas y permite al biofiltro mantener una elevada actividad biológica a pesar de las variaciones de carga orgánica.
El rendimiento de un biofiltro MBBR depende, por tanto, de un conjunto de parámetros que van mucho más allá del simple volumen de soportes instalados. La hidráulica del reactor, el porcentaje de llenado con medios biológicos, la intensidad del movimiento, la concentración de oxígeno disuelto, el pH, la alcalinidad, la temperatura y la carga orgánica influyen directamente en el crecimiento del biofilm y en su capacidad de nitrificación.
La renovación natural del biofilm constituye también un elemento fundamental de su funcionamiento. Debido a las colisiones entre los soportes biológicos y a los esfuerzos hidráulicos, las capas superficiales más antiguas se desprenden progresivamente. Este fenómeno, considerado erróneamente como una pérdida de biomasa, es en realidad indispensable. Permite mantener un biofilm joven, activo y suficientemente permeable para garantizar los intercambios de oxígeno y nutrientes. Las capas profundas permanecen fijadas al soporte biológico y sirven como base para el desarrollo de nuevas poblaciones bacterianas.
Para una ingeniería especializada en acuicultura, el diseño de un biofiltro MBBR no consiste únicamente en calcular la superficie específica de los medios biológicos. Requiere un enfoque global que integre las características de los soportes, la cinética de nitrificación, la hidráulica del reactor, las necesidades de oxígeno, la producción de amoníaco de los peces, los objetivos de recirculación y las condiciones de explotación. Un biofiltro correctamente dimensionado debe proporcionar las condiciones adecuadas para el desarrollo de un biofilm estable, capaz de adaptarse a las variaciones de biomasa piscícola garantizando al mismo tiempo una calidad de agua constante.
Este enfoque global explica por qué dos biofiltros que utilizan soportes biológicos idénticos pueden presentar rendimientos muy diferentes. La calidad de los medios biológicos es un factor importante, pero no puede compensar un mal diseño hidráulico, una oxigenación insuficiente o una gestión inadecuada de la carga orgánica.
El biofilm representa el verdadero núcleo biológico de los biofiltros MBBR. Es responsable de la nitrificación, participa en la degradación de la materia orgánica y garantiza la estabilidad biológica de los sistemas RAS. Los soportes plásticos son, en definitiva, únicamente el hábitat donde se desarrolla esta compleja comunidad microbiana.
El diseño de un biofiltro eficiente se basa, por tanto, en una comprensión profunda de los mecanismos biológicos que gobiernan la formación, el crecimiento y la renovación del biofilm. Para los ingenieros, diseñadores y operadores de instalaciones acuícolas, este enfoque permite optimizar el dimensionamiento de los sistemas, mejorar la seguridad de los cultivos y reducir los costes de explotación.
No todos los soportes biológicos MBBR son equivalentes. Comprender estas diferencias es esencial para optimizar el rendimiento de los biofiltros y diseñar sistemas RAS cada vez más eficientes.