Eliminación de microorganismos por diversos procesos de

Curso Internacional
“GETIÓN INTEGRAL DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES”
25 al 27 de setiembre de 2002
Conferencia
Eliminación de Mircroorganismos por diversos
Procesos de Tratamiento
Preparado por
Ing. Ricardo Rojas
Coordinador de Proyectos Especiales
CEPIS/OPS-OMS
Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente
División de Salud y Ambiente
Organización Panamericana de la Salud
Organización Mundial de la Salud
2002
CONTENIDO
Página
1.
2.
3.
4.
Clasificación de los microorganismos................................................... 3
1.1
Bacterias ............................................................................... 3
1.2
Hongos................................................................................. 4
1.3
Algas .................................................................................... 4
1.4
Protozoos.............................................................................. 4
1.5
Virus .................................................................................... 5
Organismos patógenos ...................................................................... 5
Organismos indicadores..................................................................... 5
Capacidad de remoción de microorganismos ........................................ 6
Lista de cuadros:
Cuadro 1.
Cuadro 2.
Cuadro 3.
Cuadro 4.
Cuadro 5.
Cuadro 6.
Clasificación de los microorganismos ........................................ 3
Agentes infecciosos potencialmente presentes en el
agua residual doméstica bruta ................................................. 7
Excreción de microorganismos patógenos, supervivencia y
dosis efectiva......................................................................... 8
Organismos específicos que han sido empleados o
propuestos como indicadores de la contaminación humana......... 9
Persistencia y resistencia de algunos microorganismos
patógenos ............................................................................. 10
Eficiencia remocional de coniformes / tratamiento de
aguas residuales .................................................................... 11
Lista de figuras:
Figura 1.
Beneficios sanitarios o efectividad en el cumplimiento de
los criterios de diseño para tratamiento de aguas servidas .......... 12
Figura 2.
Curvas Generalizadas en remoción de DBO, huevos de
helmintos, bacterias y virus en lagunas de estabilización de
aguas residuales a una temperatura mayor a 20ºC
(después de Shuval ET al 1985)............................................... 13
Eliminación de Microorganismos por Diversos Procesos de Tratamiento
1.
Clasificación de los microorganismos
Los principales grupos de organismos presentes en las aguas residuales se
clasifican en organismos eucariotas, eubacterias y arquebacterias, siendo mayormente
del grupo de las eubacterias (ver cuadro 1). La categoría protista, dentro de los
organismos eucariotas, incluye a algas, hongos y protozoos. Las plantas tales como los
helechos, los musgos y las plantas de semilla están clasificadas como eucariotas
multicelulares y los vertebrados y los invertebrados están clasificados como animales
eucariotas multicelulares. Los virus, también presentes en el agua residual, se clasifican
en función del sujeto infectado.
Cuadro 1. Clasificación de los microorganismos
Grupo
Eucariotas
Estructura
celular
Eucariotaa
Eubacterias
Procariotab
Arqueobacterias
Procariota
Caracterización
Miembros
representativos
Multicelular, con gran
diferenciación en las
células y el tejido
Plantas (plantas de semilla,
musgos, helechos).
Animales (vertebrados e
invertebrados)
Unicelular o coenocítica o
micelial; con escasa o nula
diferenciación de tejidos
Química celular parecida a
las eucariotas
Química celular distintiva
Protistas (algas, hongos,
protozoos).
La mayoría de las bacterias
Metanógenas, halófilas
termocidófilas
a. Contienen un núcleo definido.
b. No contienen membrana nuclear.
1.1
Bacterias
Las bacterias se pueden clasificar como eubacterias procariotas unicelulares. En
función de su forma, las bacterias pueden catalogarse en cuatro grandes grupos: a)
esferoidales, b) abastonadas, c) curvadas y d) filamentosas. Las bacterias esferoidales
reciben el nombre de cocos, tienen un diámetro aproximado entre 1 y 3 micras. Las
bacterias abastonadas son conocidas como bacilos y tienen tamaños muy variables,
entre 0,5 y 2,0 micras de ancho y de 1 a 10 micras de largo. La Escherichia coli,
organismo común en las heces humanas, mide aproximadamente 0,5 micras de ancho
por 2 micras de largo. Las bacterias curvadas tienen dimensiones que pueden variar
entre 0,6 y 1,0 micras de ancho por 2 a 6 micras de longitud. Las bacterias en forma de
-3-
espiral pueden alcanzar longitudes del orden de las 50 micras, mientras que las
filamentosas pueden llegar a superar las 100 micras.
Las bacterias desempeñan un rol muy importante en los procesos de
descomposición y estabilización de la materia orgánica, tanto en la naturaleza como en
las plantas de tratamiento. Por ello, resulta importante conocer sus características,
funciones, metabolismos, proceso de síntesis, persistencia en el medio ambiente, dosis
infectiva y susceptibilidad a los agentes externos.
1.2
Hongos
Los hongos son protistas eucariotas aerobios, multicelulares, no fotosintéticos y
quimioheterótroficas. Muchos de los hongos son saprofitos, es decir no hacen daño al
ser humano y se alimentan de materia orgánica muerta. Juntos con las bacterias, los
hongos son los principales responsables de la descomposición del carbono en la
biosfera. Desde el punto de vista ecológico, los hongos presentan ciertas ventajas sobre
las bacterias: pueden crecer y desarrollarse en zonas de baja humedad y en ámbitos
con pH bajos. Sin la participación de los hongos en los procesos de degradación de la
materia orgánica, el ciclo del carbono se interrumpiría en poco tiempo, y la materia
orgánica se acumularía sin sufrir mayores cambios en su estructura molecular.
1.3
Algas
Las algas pueden presentar serios inconvenientes en las aguas superficiales ya
que pueden reproducirse rápidamente cuando las condiciones ambientales le son
favorables. Este fenómeno, que se conoce como eutroficación puede conducir a que
ríos, lagos y embalses sean cubiertos por mantos de algas. Puesto que el efluente de las
plantas de tratamiento del agua residual suele ser rico en nutrientes biológicos, la
descarga del efluente en los cuerpos de agua conduce al aumento de la tasa de
eutroficación.
Uno de los problemas más importantes al que se enfrenta la ingeniería sanitaria
en el campo de la gestión de la calidad del agua es la selección del proceso de
tratamiento que debe aplicarse a las aguas residuales de diferentes orígenes de modo
que los efluentes tratados no favorezcan el crecimiento de algas y otros tipos de plantas
acuáticas. La solución puede implicar la eliminación del carbono, así como de las
diferentes formas de nitrógeno y fósforo y alguno de los micro-elementos como el
hierro, el cobalto entre otros.
1.4
Protozoos
Los protozoos son microorganismos eucariotas cuya estructura está formada por
una sola célula. La mayoría de los protozoos son aerobios o facultativamente
quimioheterótrofos. Los protozoos de importancia para el ingeniero sanitario son las
-4-
amebas, los flagelados y los ciliados libres y fijos. Los protozoos se alimentan de
bacterias y otros microorganismos microscópicos y tienen importancia capital en el
funcionamiento de los tratamientos biológicos, ya que son capaces de mantener el
equilibrio natural entre los diferentes tipos de microorganismos.
1.5
Virus
Los virus son partículas parásitas formadas por un cordón de material genético ácido desoxirribonucleico (ADN) o ácido ribonucleico (RNA) - con una capa de
recubrimiento proteínico y no tienen capacidad para sintetizar nuevos compuestos, por
lo que invaden las células del cuerpo vivo para la producción de nuevas partículas virales
a costa de las células originales. Cuando muere la célula original, se liberan gran
cantidad de virus que infectan a células más próximas.
Los virus excretados por los seres humanos pueden representar un importante
peligro para la salud pública. Por ejemplo, se ha podido comprobar que cada gramo de
heces de un paciente con hepatitis contiene entre 10.000 y 100.000 dosis de virus
hepático y se sabe con certeza que algunos virus pueden sobrevivir hasta 41 días, tanto
en aguas limpias, como residuales a la temperatura de 20°C y hasta 6 días en un curso
de agua normal.
2.
Organismos patógenos
Los organismos patógenos que se encuentran en las aguas residuales pueden
proceder de deshechos humanos que estén infectados o que sean portadores de una
determinada enfermedad. Las principales clases de organismos patógenos presentes en
las aguas residuales como bacterias, virus, protozoos y helmintos se muestran en el
cuadro 2. Los organismos bacterianos patógenos excretados por el hombre causan
enfermedades del aparato intestinal como la fiebre tifoidea y paratifoidea, la disentería,
diarreas y cólera. En el cuadro 3 se presenta el número de microorganismos que pueden
ser excretado por una persona enferma, el tiempo de supervivencia y la dosis que es
necesario ingerir para causar una enfermedad.
3.
Organismos indicadores
Normalmente, los organismos patógenos se encuentran en las aguas residuales y
resultan difíciles de aislar e identificar. Por ello se emplea el organismo coliforme como
organismo indicador ya que su presencia es más numerosa y fácil de identificar. El
tracto intestinal humano contiene innumerables bacterias con forma de bastoncillos,
conocidas como organismos coliformes. Aparte de otras clases de bacterias, cada ser
humano evacúa en promedio entre 100.000 a 400.000 millones de organismos
coliformes por día. Por ello, se considera que la presencia de coliformes es un indicador
de la posible presencia de organismos patógenos, y su ausencia indica que las aguas
están libres de organismos que puedan causar enfermedades.
-5-
Los coliformes incluyen a los géneros Escherichia y Aerobacter. El uso de los
coliformes como organismos indicadores es problemático debido a que ciertas clases de
bacterias pueden crecer en el suelo. Por lo tanto, la presencia de coliformes no siempre
es sinónimo de contaminación con residuos humanos. No obstante, aunque se considera
que la Escherichia coli es de origen exclusivamente fecal, se acostumbra a identificar a
los coliformes termotolerantes como indicador de la contaminación fecal.
En el cuadro 4 se indican otros tipos de organismos que han sido propuestos
como indicadores de la contaminación del agua. En los últimos años, se han
desarrollado ensayos capaces de diferenciar entre coliformes totales, coliformes fecales
y estreptococos fecales.
4.
Capacidad de remoción de microorganismos
Para definir la eficiencia remocional de microorganismos por parte de los diversos
tipos de procesos de tratamiento de las aguas residuales, se acostumbra a emplear un
organismo indicador y normalmente se hace referencia a los coliformes totales,
coliformes termotolerantes o a al E. Coli. De otra parte, para la reducción en la
concentración de los organismos en las aguas residuales tratadas, se acostumbra a
emplear el cloro, el cual es un oxidante muy enérgico; sin embargo, como se aprecia en
el cuadro 5, no todos los organismos descritos anteriormente y considerados patógenos
al hombre son destruidos por el cloro, por lo que se hace necesario tener en cuenta las
características de los diversos procesos de tratamiento, para seleccionar aquel que
resulte efectivo en la remoción o inactivación de algún microorganismos en particular y
que sea prevalente en el área de atención de la planta de tratamiento.
En el cuadro 6 se presenta un resumen de la capacidad de remoción de los
coliformes por parte de los principales procesos de tratamiento de aguas residuales. De
aquí destaca que las lagunas de estabilización, por el alto período de retención que
ostenta, son los procesos de tratamiento más efectivos en la remoción de
microorganismos en general, siguiéndole en orden de importancia lo lodosa activados y
filtros percoladores. A su vez, los más ineficientes son los del tipo tratamiento primario,
en donde predomina la acción física y los períodos de retención son relativamente
pequeños.
De otra parte, en la figura 1 se puede apreciar la eficiencia que tienen los
esquemas compuesto por lagunas anaeróbicas seguida de lagunas facultativas o de
maduración. Del análisis de la curva se nota que a más largos períodos de retención,
mayor es la eficiencia remocional de microorganismos. De otra parte, está demostrado
que las lagunas de estabilización son los más eficientes para la remoción de helmintos y
virus.
-6-
Por ello, en el caso del tratamiento de aguas residuales por medio de lodos
activados, filtros percoladores o cualquier otro tipo de tratamiento biológico que
produzca agua con bajo contenido de sólidos suspendidos, se acostumbra a aplicar la
desinfección y en algunos casos donde pudieran haber problema de presencia de
helmintos o protozoos en el agua residual tratada, se puede llegar hasta la filtración,
como un proceso previo a la desinfección.
Finalmente, en la figura 2 se presenta un esquema en el que se muestran los
criterios de diseño para el tratamiento de aguas residuales por medio de lagunas de
estabilización. Estos criterios pueden ser reducción de helmintos, DBO, bacterias o virus.
Cuadro 2. Agentes infecciosos potencialmente presentes en el
agua residual doméstica bruta
Organismo
Bacteria
Escherichia coli
(enteropatogénica)
Legionella pneumophila
Leptospira (150 esp.)
Enfermedad
Gastroenteritis
Diarrea
Legionelosis
Leptospirosis
Enfermedades
respiratorias
agudas
Leptospirosis,
fiebre
(enfermedad de
Weil)
Fiebre alta, diarrea, úlceras en
el
intestino delgado
Envenenamiento de alimentos
Disentería bacilar
Diarreas
extremadamente
fuertes,
deshidratación
Diarrea
Salmonella typhi
Fiebre tifoidea
Salmonella ( +/-1.700
esp.)
Shigella (4 esp.)
Vibrio cholerae
Salmonelosis
Shigelosis
Cólera
Yersinosis
Yersinia enterolítica
Virus
Adenovirus (31 tipos)
Enterovirus (67 tipos,
p.e. polio, eco y virus
Coxsakie)
Hepatitis A
Agente Norwalk
Reovirus
Rotavirus
Comentario
Enfermedades
respiratorias
Gastroenteritis,
anomalías cardíacas,
meningitis
Hepatitis infecciosas
Gastroenteritis
Gastroenteritis
Gastroenteritis
-7-
Leptospirosis, fiebre Vómitos
Organismo
Protozoos
Balantidium coli
Crytosporidium
Entamoeba histolytica
Giardia lamblia
Helmintos
Ascaris lumbricoides
Enterobius vericularis
Fasciola hepatica
Hymenolepis nana
Taenia saginata
T. solium
Trichuris trichiura
Enfermedad
Comentario
Balantidiasis
Criptosporidiosis
Ameabiasis (disentería
amébica)
Giardiasis
Diarrea, disentería
Diarrea
Diarreas
prolongadas
con
sangre, abcesos en el hígado y
en el intestino delgado
Diarrea, náuseas, indigestión
Ascariasis
Enterobiasis
Fascioliasis
Hymenlepiasis
Teniasis
Teniasis
Trichuriasis
Infestación de gusanos
Gusanos
Gusanos (tercera)
Tenia enana
Tenia (buey)
Tenia (cerdo)
Gusanos
Cuadro 3. Excreción de microorganismos patógenos,
supervivencia y dosis infectiva
Organismos
Bacterias
E. coli toxígena
Salmonella typhi
Salmonella spp
Shigella
Campylobacter
Vibrio cholerae
Yersinia Enterocolítica
Aeromonas
Leptospira
Virus
Enterovirus
Hepatitis
Rotavirus
Norwalk
Protozoarios
Entamoeba
Giardia lamblia
Cryptosporidium
Balantidium coli
Helmintos
Echinococcus
Ascaris lumbricoides
Taenia sagínata
Trichuris trichura
Ancylostoma duodenale
N°/gramo de
heces
Supervivencia
Dosis infectiva
10E+8
10E+8
10E+08
10E+6
10E+7
10E+6
10E+5
---
90
60
90
30
7
30
90
90
--
10E+3 - 10E+8
10E+2 – 10E+6
10E+4 – 10E+6
10E+2
10E+6
10E+8
10E+9
10E+8
3
10E+7
10E+6
10E+6
--
90
5 – 90
5 – 27
5 - 27
10E+7
10E+5
10E+2
--
25
25
-20
-10E+4
10E+4
10E+3
10E+2
-12 meses
9 meses
9 meses
3 meses
-8-
1
1
1
1
–
–
–
–
10
1
1
25
10E+3
10E+3
10E+3
10E+3
–
–
–
–
100
10
30
100
-2–5
1 - 10
1 – 10
1 – 10
Cuadro 4. Organismos específicos que han sido empleados o propuestos
como indicadores de la contaminación humana
Organismo indicador
Características
Bacterias coliformes
Especies de organismos que pueden fermentar lactosa con
generación de gases (o producen una colonia diferenciable en
un medio adecuado a las 24 +/- 2 h, a 48 +/- 3 h) y a 35 +/0,5 °C). Existen algunas variedades que no se ajustan a la
definición. El grupo de coliformes incluye cuatro géneros de la
familia Enterobacteriácea. Estos son el Escherichia, Klebisella,
Citrobactor y Enterobacter. Del grupo de organismos, el género
Escherichia (especie E. coli) parece ser el más representativo
de la contaminación fecal.
Bacterias coliformes
Se estableció un grupo de bacterias coliformes fecales en
función de la capacidad de generar gas (o colonias) a una
temperatura de incubación de elevada (44,5 +/- 0,2°C durante
24 +/- 2 h).
Klebisella
La población total de coliformes incluye el género Klebisella. La
Klebisella termotolerante también se incluye en el grupo de
coliformes fecales. Este grupo se cultiva a 35 +/- 0,5 °C
durante 24 +/- 2 h.
Escherichia coli
El E. coli es parte de la población bacteriana y es el género de
coliformes más representativos de las fuentes de
contaminación fecal.
Estreptococos fecales
Este grupo se ha empleado, junto con los coliformes fecales,
para determinar las fuentes de contaminación fecal reciente
(humana o de animales de granja). Con los procedimientos
analíticos habituales no es posible diferenciar los verdaderos
estreptococos fecales de algunas de las variedades que se
parecen a este grupo, lo cual representa un impedimento para
su uso como organismo indicador.
Enterococos
Dos familias de estreptococos fecales -S. faecalis y s. faeciumson los miembros del grupo de los estreptococos más
específicos de la contaminación humana. Las dos familias
conocidas como enterococos se pueden aislar y cuantificar
mediante la eliminación de las demás familias mediante
métodos analíticos.
Los enterococos suelen estar presentes en número inferior al
resto de los organismos indicadores; no obstante, sobreviven
mejor en agua salada.
Clostridium perfringens
Es una bacteria persistente anaerobia formadora de esporas, y
sus características la convierten en un indicador útil en los
casos en los que se realiza la desinfección del agua, en los que
es posible determinar la existencia de contaminación algo
antigua.
-9-
Organismo indicador
P. aeruginosa y
A. hydrophila
Características
Estos organismos pueden estar presentes en grandes
cantidades en el agua residual. Ambos se pueden considerar
como organismos acuáticos y se pueden encontrar en el agua,
en ausencia de fuentes de contaminación fecal inmediatas.
Cuadro 5. Persistencia y resistencia de algunos
microorganismos patógenos
Organismo
Adenovirus
Entero virus
Hepatitis A
Norwalk
Rotavirus
Salmonella typhi
Escherichia coli
Campylobacter j.
Otras salmonellas
Shigella sp
Vibrio cholerae
Yersinia enterocolíica
Pseudomona a.
Aeromonas spp
Entamoeba hystolítica
Giardia lamblia
Cryptosporidium
Nematodes
Ascaris lumbricoides
Ancylostoma duodenale
Necator americanus
Enterobius vermicularis
Trichuris trichiura
Céstodes
Taenia saginata
Taenia solium
Hymenolepis nana
Persistencia
VIRUS
Desconocida
Prolongada
Desconocida
Desconocida
Desconocida
BACTERIAS
Resistencia al Cloro
Moderada
Moderada
Moderada
Desconocida
Desconocida
Moderada
Baja
Prolongada
Baja
Breve
Baja
Prolongada
Baja
Moderado
Baja
Pueden multiplicarse
PROTOZOOS
Moderada
Moderada
Prolongada
HELMINTOS
Alta
Alta
Alta
Prolongada
Prolongada
Prolongada
Prolongada
Prolongada
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Prolongada
Prolongada
Prolongada
Alta
Alta
Alta
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Cuadro 6. Eficiencia remocional de coliformes
Tratamiento de aguas residuales
(expresado en porcentaje)
Proceso
Tratamiento preliminar
Cribado fino
Cloración crudo o sedimentado
Tratamiento primario
Sedimentación simple
Precipitación química
Tratamiento secundario
Filtros percoladores
Lodos activados
Lagunas
Primarias
Secundarias
Terciaria
Tratamiento avanzado
Cloración aguas tratadas
DBO
Coniformes
5-10
15-30
10-20
90-95
25-40
50-85
25-75
40-80
50-95
55-95
90-95
90-98
75-85
90-95
85-95
90-95
95-99.9
99.9-99.9
-
98-99
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CRITERIO I:
Eliminación máxima de helmintos (99%)
CRITERIO II: Eliminación efectiva de bacterias entericas y virus (99.99%)
CRITERIO III: Planta libre de olores y molestias y eliminación efectiva de
DBO del efluente (90%) (SHUVAL et al 1984)
Figura 1. Beneficios sanitarios o efectividad en el cumplimiento de
los criterios de diseño para tratamiento de aguas servidas
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Figura 2. Curvas generalizadas en remoción de DBO, huevos de helmintos,
bacterias y virus en lagunas de estabilización de aguas residuales
a una temperatura mayor a 20ºC (después de Shuval ET al 1985)
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