USO DEL OZONO EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS

XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental
Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002
USO DEL OZONO EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PARA LA
REMOCIÓN DE Vibrio cholerae FENOTIPO RUGOSO RESISTENTE AL CLORO
*Orta de Velásquez Ma. Teresa
Instituto de Ingeniería-UNAM. Es Doctora en Ciencias Químicas por la Universidad de Rennes, Francia. Actualmente
se desempeña como Investigadora Titular en el Instituto de Ingeniería-UNAM. Ha desarrollado 38 proyectos, sobre
tratamiento de agua potable, residual e industrial, además del manejo adecuado de los lixiviados y aprovechamiento de
biogas de residuos sólidos. Ha publicado 39 artículos en revistas y memorias a nivel nacional e internacional, un libro y
un manual. En 1992 obtuvo la repatriación de Investigadores y desde 1986 pertenece al SNI. Es profesora de asignatura
en el posgrado de Ingeniería Ambiental y en la Fac. de Ingeniería de la UNAM.
Yáñez Noguez Isaura
Instituto de Ingeniería-UNAM
Monje Ramírez Ignacio
Instituto de Ingeniería-UNAM
Rojas Valencia Ma. Neftalí
Instituto de Ingeniería-UNAM
Instituto de Ingeniería-UNAM edificio 5, Coordinación de Ingeniería Ambiental Apdo. 70-472, Coyoacán. CP. 04510,
México. D. F. E-mail [email protected]
RESUMEN
El uso del ozono para la eliminación de Vibrio cholerae O1 fenotipo rugoso resistente a cloro, fue investigado en aguas
residuales de la Ciudad de México en donde ésta bacteria fue detectada y aislada. Las pruebas de desinfección se
llevaron acabo en un efluente de tratamiento fisicoquímico avanzado inoculado con V. cholerae O1 fenotipo rugoso, la
densidad bacteriana inicial fue del orden de 109 UFC/100 ml. Los resultados del estudio muestran un claro efecto
desinfectante del ozono para eliminar bacterias patógenas como V. cholerae O1 fenotipo rugoso, además de otros
indicadores como coliformes fecales alcanzando niveles por debajo de la norma de aguas residuales para riego agrícola
(1000 UFC/100 mL; NOM-001-ECOL/1996). Con una dosis de ozono aplicada en fase gas de 117.3 mg O3/L de agua
residual tratada, el fenotipo rugoso de V. cholerae O1 fue eliminado en su totalidad después de 12 minutos de ozonación.
Con las condiciones experimentales utilizadas en el estudio, para alcanzar la dosis de ozono requerida en el proceso de
desinfección, se necesita de una producción de ozono de 0.492 g O3/h. La calidad del efluente a ozonar fue de
primordial importancia en la demanda ozono, por lo que es importante mejorar la calidad del agua, con la finalidad de
reducir la dosis requerida de ozono. El uso del ozono como desinfectante es una alternativa al método tradicional de
cloración, que de acuerdo con los resultados de esta investigación, puede garantizar una calidad de agua residual tratada
libre de patógenos, por lo que puede ser reutilizada en forma segura en el riego agrícola.
Palabras clave: Vibrio cholerae rugosa, ozono, desinfección, agua residual.
INTRODUCCIÓN
En México el reuso de aguas residuales de origen municipal en el riego agrícola se ha convertido en una práctica
común, el uso más frecuente es la irrigación de hortalizas. No obstante de acuerdo con Jiménez et al., (1999), de los 48
m3/s que se producen aproximadamente en el Valle de México sólo la décima parte se somete a algún tipo de
tratamiento. Las aguas residuales municipales son un reservorio importante de bacterias entéricas (cuadro 1). Entre ellas
se encuentra V. cholerae, bacteria causal del cólera, una infección gastrointestinal grave que se transmite principalmente
por vía hídrica y por el consumo de hortalizas irrigadas con aguas residuales no tratadas.
La presencia de bacterias entéricas en efluentes municipales puede ser trascendente en la salud pública, aunque esto
depende del estado fisiológico que presente la comunidad bacteriana en el agua residual (Rockabrand et al., 1999). Por
ejemplo, V. cholerae puede adoptar una forma de sobrevivencia conocida como el fenotipo rugoso. Representa una de
las formas más virulentas y se caracteriza por la rugosidad de las colonias, morfología que se asocia a la secreción de
polisacáridos extracelulares. La rugosidad puede representar una adaptación biológica normal de especies como V.
cholerae que habitan ambientes estuarinos o marinos (Wai et al., 1998), aunque su presencia en otros ambientes
acuaticos no ha sido confirmada (Afsar et al., 2000). Algunos estudios indican que el fenotipo rugoso de V. cholerae
sobrevive a dósis de cloro de 1.3 mg/L (Orta et al., 1998) y 2.0 mg/L (Morris et al., 1996).
Cuadro 1. Bacterias patógenas presentes en agua residual.
Bacterias patógenas
Enfermedad Sobrevivencia
Dosis
Densidad
(días)
Infectiva
en agua
(20-30°C)
(NMP/100 mL)
Coliformes fecales
Gastroenteritis
60
8.8 X 108 (México)
4
7
Salmonella typhi
Fiebre tifoidea
10 -10
Salmonella (1700
Salmonelosis
60
104-107
6.1 X 108 (México)
serotipos)
Vibrio cholerae
Cólera
30
103-107
3 X 106 (México)
Shigella flexneri
180
Shigelosis
30
(disentería)
Shigella (4 spp)
10-180
Yersinia
Yersiniosis
enterocolitica
Gastroenteritis
Clostridium perfirgens Diarrea
1X1010
Streptococcos fecales
Gastroenteritis
Campylobacter jejuni
Gastroenteritis
Fuente
Jiménez et al., 2000
Jiménez et al., 2000
Orta et al., 2000
Los cambios que sufren las bacterias patógenas para adaptarse a condiciones ambientales adversas demanda la
evaluación y aplicación de métodos más efectivos para su tratamiento. Estudios recientes demostraron que el ozono es
una alternativa prometedora para la eliminación de cepas de V. cholerae O1 fenotipo rugoso resistentes al cloro (Orta et
al., 1998). Actualmente existe un interés creciente para su aplicación en el tratamiento de aguas residuales; como agente
oxidante para la remoción de compuestos recalcitrantes ó como desinfectante en la eliminación de microorganismos
patógenos, entre otras aplicaciones. El ozono es un fuerte oxidante que ha sido utilizado con éxito en plantas
potabilizadoras de agua, en países como Italia (Collivignarelli et al., 2000), Francia (Lazarova et al., 1999) y Estados
Unidos (Lee y Deinninger, 2000).
En este contexto, el presente trabajo describe los resultados de una investigación orientada a: 1) Determinar la presencia
de V. cholerae O1 fenotipo rugoso en agua residual del Gran Canal de la Ciudad de México y 2) Evaluar el proceso de
ozonación como alternativa de tratamiento para la eliminación de V. cholerae O1 fenotipo rugoso en agua residual para
reuso en el riego agrícola.
METODOLOGÍA
Aislamiento de V. cholerae O1 fenotipo rugoso en agua residual - V. cholerae (variedad lisa y rugosa) se aisló de
agua cruda residual en el transcurso de 8 muestreos durante los meses de junio-julio-agosto en el Gran Canal de la
Ciudad de México. La recuperación de la bacteria se obtuvo mediante la técnica de hisopo de Moore en medio Cary
Blair, a partir del cual se promovió el crecimiento bacteriano en Agua Peptonada Alcalina doble concentración (APA
[2]) durante 24 h. a 37°C. La selección del microorganismo se hizo en agar de Tiosulfato Citrato Bilis Sacarosa (TCBS)
por siembra en estría cruzada a 37°C de temperatura durante 24 h. Las posibles colonias de V. cholerae elegidas, se
resembraron en Agar Soya Tripticasa (TSA) a una temperatura de incubación de 28°C durante 24 h, se practicó la
prueba de oxidasa a los cultivos y se conservaron aquellos con una reacción citocromo oxidasa positiva. Después de este
procedimiento, se llevó a cabo una observación meticulosa de la morfología colonial para seleccionar los cultivos con
características de rugosidad.
1
Todos los cultivos sospechosos se identificaron mediante el análisis de ésteres metílicos de los ácidos grasos celulares
por cromatografía de gases con la técnica modificada por Yáñez, 2000 del Sistema de Identificación Microbiana
(Microbial Identification System (MIS); Microbial ID INC. [MIDI]. Newark, Del.) (Sasser, 1990). Las bacterias aisladas
mediante los pasos descritos anteriormente se usaron en las pruebas siguientes de desinfección con ozono.
Análisis cuantitativo de V. cholerae - la estimación de la densidad bacteriana se hizo en la muestra cruda, en la muestra
despues de un Tratamiento Primario Avanzado (TPA) y a intervalos de 2 minutos durante la oxidación química. Para
determinar la cantidad de bacterias en el agua se utilizó la técnica de Número Más Probable descrita por Sánchez et al.,
(1991). Paralelamente, se verificó la densidad de coliformes fecales como indicadores de referencia (NOM-001-ECOL1996) utilizando la técnica de membrana filtrante según el procedimiento de la Norma Mexicana NMX-AA-102-1987.
Desinfección con ozono - previo al tratamiento con ozono el agua residual cruda fue sometida a un Tratamiento
Primario Avanzado (TPA) simulado a través de una prueba de jarras Phipps and Bird modelo 7790.400 utilizando 40
mg/L cloruro férrico (coagulante) y 0.4 mg/L de Prosifloc A-252 (floculante). Para evaluar la eficiencia del ozono como
desinfectante en la eliminación de V. cholerae O1 fenotipo rugoso, esta bacteria se inoculó en el agua residual tratada
alcanzando una densidad bacteriana en el orden de 106 a 109 UFC/100 mL, esta se determinó con la escala nefelométrica
de Mac Farland conforme a la densidad encontrada por Orta et al., 2000 de 3 X 106 UFC/100 mL para V. cholerae en
agua residual y a los índices reportados para coliformes fecales (Jiménez y Chavez 2000) en México.
En la figura 1 se muestra el arreglo experimental utilizando en las pruebas de desinfección. El ozono se obtuvo a partir
de un generador EMERGY TRAILIGAZ LABO 76 con capacidad de producción de 19 g O3/h, usando aire enriquecido
con oxígeno como gas de alimentación.
O3
AIRE
KI
2%
G4
H = 110 cm
Dp = 0.5 mm
Dc = 5 cm
G1 = 0 cm
G2 = 30 cm
G3 = 60 cm
G4 = 90 cm
Dp = 10 - 15 mm
G3
G2
Difusor
Q
G1
O3
L
Efluente
Rotámetro
O2
Generador
de ozono
air
e
Separador de
aire
Figura 1. Arreglo experimental utilizado en la prueba de desinfección.
2
Con el objeto de simular un proceso de desinfección, las pruebas se llevaron a cabo en una columna de burbujeo de
vidrio (55 mm de diámetro y 1.1 m de altura), la cual se operó en forma semi-continua con un volumen de trabajo de 1.8
L aplicando el ozono mediante un difusor de vidrio con diámetro de poro de 10 - 15 µm. Se manejo una concentración
de ozono en fase gas a la entrada del reactor de 35.2 mg O3/L y un flujo de 0.5 L/min, por lo que la cantidad de ozono
aplicada al sistema de reacción en fase gas fue de 17.6 mg O3/min.
La densidad de V. cholerae O1 fenotipo rugoso se valoró en cada una de las etapas del proceso:
influente (cruda), efluente (TPA) y desinfección (ozonada). Con el objeto de evaluar la eficiencia de
eliminación de la bacteria en el proceso de desinfección, el efluente tratado fue ozonado durante 14
minutos en modo semicontínuo y se valoró la densidad bacteriana cada 2 minutos durante el
proceso.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Aislamiento de V. cholerae O1 fenotipo rugoso en agua residual - dentro de los logros más relevantes de esta
investigación reportamos por primera vez el aislamiento de V. cholerae O1 fenotipo rugoso en agua residual. La
detección de V. cholerae O1fenotipo rugoso en agua residual del Gran Canal de la Ciudad de México confirma que este
fenotipo puede encontrarse en diferentes ambiente acuaticos.
Los procedimientos rutinarios de aislamiento en agares selectivos pueden confundir una colonia rugosa con una
contaminación del cultivo, sin embargo la observación meticulosa de las colonias y la confirmación de su identidad
mediante cromatografía de gases, permitieron vislumbrar la presencia de este fenotipo en el agua residual. Por otra parte,
tambien se detectó la presencia de V. cholerae variedad lisa, la cual se presentó de forma recurrente durante los 8
muestreos realizados en los meses de junio, julio y agosto.
La detección de esta bacteria en cualquiera de sus formas, es significativa debido a lo que puede representar la
propagación del cólera en la población, dada la reutilización del agua residual tratada o no tratada en el riego de
hortalizas. Sin embargo es muy importante considerar la presencia de esta forma rugosa, ya que representa una forma de
sobrevivencia muy virulenta al organismo, la cual puede persistir en la presencia de cloro libre de acuerdo a lo que
refiere Orta et al., (1998) y Morris et al., (1996), este fenotipo fuede limitar el uso de la cloración en la prevención de
propagación del cólera.
Efecto desinfectante del ozono - con respecto al uso del ozono en la desinfección de agua residual tratada, los
resultados indican un claro efecto desinfectante del ozono para eliminar bacterias patógenas resistentes como V.
cholerae O1 fenotipo rugoso, además de bacterias indicadoras de contaminación (coliformes fecales) detectadas en el
agua residual. El comportamiento de eliminación es muy similar entre V. cholerae O1 fenotipo rugoso y coliformes
fecales, respecto al tiempo de ozonación y la dosis requerida. En la figura 2 se observa que V. cholerae O1 fenotipo
rugoso fue eliminado totalmente después de 12 minutos de ozonación con una dosis de ozono aplicada en fase gas de
117.3 mg O3/L.
La ocurrencia y la sobrevivencia del grupo coliforme en agua potable que ha sido sometida a estándares de cloro
residual se ha reportado por algunos autores (McFeters et al., 1986 y Lippy and Waltrip (1984), así como el
resurgimiento de coliformes fecales en aguas residuales municipales que han sido cloradas (Rockabrand et al., 1999).
Esto incrementa la inquietud de buscar opciones de desinfección, sobre todo por lo que implica la utilización del grupo
coliforme como indicadores de contaminación. En este estudio, la población de coliformes fecales fue reducida a niveles
por debajo de lo permitido por la Norma Oficial Mexicana de agua residuales para riego agrícola (NOM-001ECOL/1996), la cual refiere 1000 UFC/100 mL, administrando la misma dósis de ozono aplicada en fase gas, a los 8
minutos de ozonación.
3
1.00E+10
BACTERIAS REMANENTES ( NMP/100 ML )
1.00E+09
1.00E+08
V. cholerae
1.00E+07
Coliformes fecales
1.00E+06
1.00E+05
1.00E+04
1.00E+03
______________________________________________________NOM-ECOL-001-1996
1.00E+02
1.00E+01
1.00E+00
0
16.4
32.9
49.3
65.7
82.1
98.6
115
DÓSIS DE OZONO (MG/L)
Fig 1. Efecto del ozono en la remoción de V. cholerae O1 fenotipo rugoso y coliformes fecales presentes
en agua residual.
Cabe hacer mención que al igual que para otros procesos de desinfección, la dósis requerida de ozono es altamente
influenciada por la calidad del agua residual (cuadro 2). Entre otros parámetros destaca el contenido de materia orgánica,
lo cual depende del tipo de proceso que se utiliza en el tratamiento del agua. La dósis de ozono puede disminuirse
mejorando la calidad del efluente, por lo que en este estudio inferimos que además de aplicar un tratamiento primario es
necesario llevar acabo un tratamiento secundario o terciario antes de la ozonación, sobre todo para eliminar materia
orgánica que incremente la demanda de ozono.
Cuadro 2. Evaluación de variables fisicoquímicas durante el proceso.
Agua residual
TPA
Cruda
pH
7.0
6.8
Turbiedad (UTN)
164
53
SDT (g/L)
0.83
0.83
Conductividad (ms/cm)
1.0
1.64
Color ( U- Pt-Co)
872
433
DQO (mg/L)
605
270
* Los datos corresponden al promedio de 8 muestreos.
O3
6.8
25
0.9
1.96
169
265
4
En este contexto coincidimos con Xu et al., 2002, en el aspecto de que el diseño y especificación de las dosis y tiempos
de transferencia del ozono, para la inactivación de coliformes fecales y otro tipo de microorganismos en agua residual,
no pueden fundamentarse en los parámetros estándar de ozono residual o los tiempos de contacto determinados en
estudios previos, quien reporta una demanda de ozono entre valores de 7.4–9.6 mg/L utilizada en agua residual tratada y
filtrada para eliminar coliformes fecales, aunque es preciso indicar que esto es posible si se lleva a cabo una eficiente
filtración antes de la desinfección con ozono.
Otro aspecto importante que debe considerarse es que en esta investigación, la densidad bacteriana inicial de V. cholerae
O1 fenotipo rugoso es de 2 - 6 unidades logaritmicas (109 UFC/100 mL) más alta comparada con los niveles normales
que se reportan en agua (103 - 107 UFC/100 mL), por lo que se esperaría que los requerimientos de ozono en cuanto a
dosis fueran menores. Los resultados obtenidos en este estudio demuestran que el ozono con su alto poder oxidante, es
una alternativa efectiva como desinfectante en el tratamiento de aguas residuales para eliminar patógenos de interés en la
salud pública como V. cholerae O1 fenotipo rugoso.
La ozonación como tecnología alternativa permite vislumbrar una mejor opción, ante la utilización del cloro, ya que el
ozono puede garantizar una calidad microbiológica adecuada de aguas tratadas que se destinan al reuso. A pesar de que
el cloro es el desinfectante más utilizado por su bajo costo, es importante reflexionar acerca de la formación de
subproductos de desinfección como los trialometanos, y recientemente de la resistencia que empiezan a manifestar
bacterias patógenas como V. cholerae O1 fenotipo rugoso.
En este contexto, se debe profundizar la investigación científica referente al riesgo asociado a desinfectantes alternativos
y los subproductos de desinfección alternativa, además de tomar en cuenta las características de cada desinfectante como
se muestra en el cuadro 3, en donde se aprecia además de la desinfección, la acción oxidante del ozono.
Cuadro 3. Características de los desinfectantes utilizados en los procesos de desinfección.
Desinfectantes
Eficacia
Remoción de color Remoción de olor
Cloro
Bueno
Bueno
Bueno
Cloraminas
Pobre
Inadmisible
Pobre
Dioxido de cloro
Bueno
Bueno
Bueno
Ozono
Excelente
Excelente
Excelente
Radiación Ultravioleta Acertado
N/A
N/A
Fuente: Trussell, (1991).
CONCLUSIONES
V. cholerae O1 fenotipo rugoso se aisló de agua residual del Gran Canal de la Ciudad de México, por lo que se reporta
por primera vez la detección de este fenotipo en este tipo de agua. Este es un hecho relevante ya que la capacidad de este
microorganismo para desarrollar cambios morfológicos y adaptarse a condiciones ambientales adversas, tiene como
consecuencia el resurgimiento potencial del cólera, enfermedad que continúa siendo un serio problema de salud pública.
El proceso de desinfección con ozono permite la eliminación total de V. cholerae O1 fenotipo rugoso (109 UFC/100 mL)
presente en agua residual después de 12 minutos de ozonación con una dósis aplicada de ozono de 117.3 mg O3/L de
agua. Esta dosis se encuentra dentro de los niveles reportados para aguas residuales tratadas, si tomamos en cuenta que
para reducir en 2-log la densidad de coliformes fecales se requiere de: 2 mgO3/L para efluentes terciarios, de 6-17
mgO3/L para efluentes secundarios, y arriba de 25-30 mgO3/L para aguas residuales pretratadas (Janex, et al., 2000).
La ozonación como método de desinfección es una alternativa a la cloración tradicional, que de acuerdo con los
resultados de esta investigación, puede garantizar un tipo de agua residual libre de patógenos resistentes a la cloración
como V. cholerae O1 fenotipo rugoso, para que pueda ser utilizada en el riego agrícola en forma segura.
Consideramos importante tomar en cuenta el resurgimiento del grupo coliforme en agua clorada, sobre todo cuando es
utilizado como procedimiento estándar para el análisis bacteriológico de agua residual.
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