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CAPÍTULO 1
ANTECEDENTES
1.1 DEFINICIONES
Aguas residuales
Las aguas de composición variada provenientes de las descargas de usos
municipales, industriales, comerciales, de servicios, agrícolas, pecuarios,
domésticos, incluyendo fraccionamientos y en general de cualquier otro uso,
así como la mezcla de ellas (NOM-003-ECOL-1997).
Aguas crudas
Son las aguas residuales sin tratamiento (NOM-003-ECOL-1997).
Aguas residuales tratadas
Son aquellas que mediante procesos individuales o combinados de tipo físicos,
químicos, biológicos u otros, se han adecuado para hacerlas aptas para su
reuso en servicios al público (NOM-003-ECOL-1997).
Patógenos y parásitos
Son los microorganismos, quistes y huevos de parásitos que pueden estar
presentes en las aguas residuales y que representan un riesgo a la salud
humana, flora o fauna. En lo que corresponde a esta Norma Oficial Mexicana
sólo se consideran los coliformes fecales medidos como NMP o UFC/100 ml
(número más probable o unidades formadoras de colonias por cada 100
mililitros) y los huevos de helminto medidos como h/l (huevos por litro) (NOM003-ECOL-1997).
Límite máximo permisible
Valor o rango asignado a un parámetro, que no debe ser excedido por el
responsable del suministro de agua residual tratada (NOM-003-ECOL-1997).
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Helminto
Término designado a un amplio grupo de organismos que incluye a todos los
gusanos parásitos (de humanos, animales y vegetales) y de vida libre, con
formas y tamaños variados (NOM-003-ECOL-1997).
Platyhelmintos
Gusano dorsoventralmente aplanado, algunos de interés médico son: Taenia
solium, Hymenolepis nana e II. Diminuta, entre otros (NOM-003-ECOL-1997).
Nematelmintos
Gusanos de cuerpo alargado y forma cilíndrica. Algunas especies entero
parásitas de humanos y animales son: Áscaris lumbricoides, Toxocara canis,
Enterobius vermicularis y Trichuris trichiura, entre otros (NOM-003-ECOL1997).
Método difásico
Es una técnica de concentración que utiliza la combinación de dos reactivos no
miscibles y donde las partículas (huevos, detritus), se orientan en función de su
balance hidrofílico-lipofílico (NOM-003-ECOL-1997).
Método de flotación
Es una técnica de concentración donde las partículas de interés permanecen en
la superficie de soluciones cuya densidad es mayor. Por ejemplo la densidad de
huevos de helminto se encuentra entre 1.05 a 1.18, mientras que los líquidos de
flotación se sitúan entre 1.1 a 1.4 (NOM-003-ECOL-1997).
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1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
La clasificación se hace con respecto a su origen, ya que este origen es
el que va a determinar su composición.
1.2.1 Aguas Residuales Urbanas
Son los vertidos que se generan en los núcleos de población urbana
como consecuencia de las actividades propias de éstos.
Los aportes que generan esta agua son:
•
Aguas negras o fecales
•
Aguas de lavado doméstico
•
Aguas provenientes del sistema de drenaje de calles y avenidas
•
Aguas de lluvia y lixiviados
Las aguas residuales urbanas presentan una cierta homogeneidad en
cuanto a composición y carga de contaminante, ya que sus aportes van a ser
siempre los mismos. Pero esta homogeneidad tiene unos márgenes muy
amplios, ya que las características de cada vertido urbano van a depender del
núcleo de población en el que se genere, influyendo parámetros tales como el
número de habitantes, la existencia de industrias dentro del núcleo, tipo de
industria, etc.
1.2.2 Aguas Residuales Industriales
Son aquellas que proceden de cualquier actividad o negocio en cuyo
proceso de producción, transformación o manipulación se utilice el agua. Son
enormemente variables en cuanto a caudal y composición, difiriendo las
características de los vertidos, no sólo de una industria a otro, sino también
dentro de un mismo tipo de industria.
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A veces, las industrias no emiten vertidos de forma continua, sino
únicamente en determinadas horas del día o incluso únicamente en
determinadas épocas de año, dependiendo del tipo de producción y del
proceso industrial.
También son habituales las variaciones de caudal y carga a lo largo del
día. Éstas son más contaminadas que las aguas residuales urbanas, además,
con una contaminación mucho más difícil de eliminar.
Su alta carga unida a la enorme variabilidad que presentan, hace que el
tratamiento de las aguas residuales industriales sea complicado, siendo
preciso un estudio específico para cada caso.
1.3 CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES
Aunque normalmente se considera el agua como H2O, todas las aguas
naturales
contienen
cantidades
variables
de
otras
sustancias
concentraciones que fluctúan de unos cuantos miligramos por litro.
en
Para
obtener una imagen verdadera de la naturaleza de una muestra en particular,
es necesario cuantificar diferentes propiedades mediante un análisis que
determine sus características físicas, químicas y biológicas.
1.3.1 Características físicas
Las propiedades son en muchos casos relativamente fáciles de medir,
algunas de las cuales las puede observar un lego rápidamente.
Temperatura:
Básicamente importante por su efecto en otras propiedades, por
ejemplo, aceleración de reacciones químicas, reducción en la solubilidad de
los gases, intensificación de sabores y olores, etc.
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Sabor y olor:
Debido a las impurezas disueltas, frecuentemente de naturaleza
orgánica,
por ejemplo, fenoles y clorofenoles. Son propiedades subjetivas
que son difíciles de medir.
Color:
Aun el agua pura no es incolora; tiene un tinte azul verdoso pálido en
grandes volúmenes. Es necesario diferenciar entre el color verdadero debido
al material en solución y el color aparente debido a la materia suspendida. El
color amarillo natural
en el agua de las cuencas altas se debe a ácidos
orgánicos que no son de ninguna manera dañinos y que son similares al ácido
tánico de té. Sin embargo, los consumidores rechazan el agua cuando está
muy coloreada por razones estéticas y para ciertos usos industriales pueden
ser inaceptables.
Turbidez:
La presencia de sólidos coloidales le da al líquido una apariencia
nebulosa que es poco atractivo y puede ser dañina. La turbiedad en el agua
pueden causarlas partículas de arcilla y limo, descargas de agua residual,
desechos industriales o a la presencia de numerosos microorganismos.
Sólidos:
Estos pueden estar presentes en suspensión, en solución o ambos y se
dividen en materia inorgánica. Los sólidos disueltos totales (SDT) se deben a
materiales solubles, mientras que los sólidos en suspensión (SS) son partículas
discretas que se pueden medir al filtrar una muestra a través de un papel
fino. Los sólidos sedimentables son aquellos removidos en un procedimiento
estándar de sedimentación con el uso de un cilindro de un 1 litro. Se
determinan como la diferencia entre los SS en el sobrenadante y los SS
originales en la muestra.
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Conductividad eléctrica:
La conductividad de una solución depende de la cantidad de sales
disueltas
presentes
y
para
soluciones
diluidas
es
aproximadamente
proporcional al contenido de SDT:
K= conductividad (S/m)
SDT (mg/1)
Si se conoce el valor apropiado de K para un agua en particular, la
medición de la conductividad da una indicación rápida del contenido de SDT.
1.3.2 Características químicas
pH
La intensidad de acidez o alcalinidad de una muestra se mide en la
escala de pH, que en realidad mide la concentración de iones de hidrógenos
presentes.
La concentración de los iones hidrógeno se expresa convenientemente
por la función pH
pH = -log10 [ H+] = log10 1/ [H+]
Lo que resulta en una escala de 0 a 14 con 7 como neutralidad, siendo
ácido por debajo de 7 y siendo alcalino por arriba de 7.
El pH controla muchas reacciones químicas y la actividad biológica
normalmente se restringe a una escala bastante estrecha de pH entre 6 y 8.
Las aguas muy ácidas o muy alcalinas son indeseables debido a que son
corrosivas y presentan dificultades en su tratamiento.
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Potencial de óxido-reducción (potencial O-R)
En cualquier sistema que experimenta oxidación hay un cambio
continuo en la relación entre los materiales en la forma reducida y aquellos
en la forma oxidada.
La experiencia operacional ha establecido valores de potencial O-R que
probablemente son críticos para diferentes reacciones de oxidación. Las
reacciones aerobias muestran valores de potencial O-R> + 200mV, las
reacciones anaerobias ocurren por debajo de +50 mV.
Alcalinidad
Es debida a la presencia de bicarbonato HCO-3, carbonato CO=3, o
hidróxido OH-. La mayoría de la alcalinidad natural en las aguas la causa el
HCO-3 producido por la acción del agua subterránea en piedra caliza o yeso.
La alcalinidad es útil en el agua natural y en las aguas residuales
porque proporciona un amortiguamiento para resistir los cambios en el pH.
Normalmente se divide en la alcalinidad cáustica, por encima del pH 8.2 y
alcalinidad total, por encima del pH 4.5. La alcalinidad puede existir hasta un
pH de 4.5 debido a que el HCO-3 no se neutraliza completamente sino hasta
que se alcanza este pH. La cantidad de alcalinidad presente se expresa en
términos de CaCO3.
Acidez
La mayoría de las aguas naturales y el agua residual doméstica son
amortiguadores para un sistema de CO2-HCO3.El ácido carbónico H2CO3 no se
neutraliza totalmente hasta un pH de 8.2 y no disminuye por el pH por debajo
de 4.5. Así la acidez del CO2 ocurre dentro de un pH de 8.2 a 4.5, la acidez
mineral (casi siempre debida a desechos industriales) se presenta por debajo
de un pH de 4.5. La acidez se expresa en términos de CaCo3.
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Dureza
Es la propiedad del agua que evita que el jabón haga espuma y produce
incrustaciones en los sistemas de agua caliente. Es debida principalmente a
los iones metálicos Ca++ y Mg++ aunque también son responsables Fe++ y Sr++.
Los metales normalmente están asociados con HCO-3, SO=4, Cl- y NO-3. No
representa riesgo para la salud, pero las desventajas económicas del agua
dura incluyen un consumo excesivo de jabón y costos más altos de
combustible. La dureza se expresa en términos de CaCO3 y se divide en:
•
Dureza de carbono-metal asociado con HCO-3.
•
Dureza de no carbono-metales asociados con SO=4, Cl-, NO3.
•
Dureza total-alcalinidad = dureza de no carbonato.
Si están presentes altas concentraciones de sales de Na y K, la dureza de
no carbonato puede ser negativa ya que tales sales pueden formar alcalinidad
sin producir dureza.
Oxígeno disuelto (OD)
El oxígeno es un elemento muy importante en el control de la calidad
del agua. Su presencia es esencial para mantener las formas superiores de
vida biológica y el efecto de una descarga de desechos en un río se determina
principalmente por el balance de oxígeno del sistema. Desafortunadamente el
oxígeno es poco soluble en agua.
Temperatura, (°C) 0, 10, 20, 30
OD, (mg/1)
14.6, 11.3, 9.1, 7.6
Las aguas superficiales limpias normalmente están saturadas con OD,
pero la demanda de oxígeno de los desechos orgánicos puede consumirlo
rápidamente. Los peces de pesca deportiva requieren mucho menos 5 mg/l de
OD. Las aguas saturadas de oxígeno tienen un sabor agradable y las aguas con
deficiencia de OD son insípidas; por esa razón, si es necesario, las aguas para
beber se airean para que tengan un OD máximo. En el agua para alimentar
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calentadores, el OD es indeseable porque su presencia aumenta el riesgo de
corrosión.
Demanda de oxígeno
Los compuestos orgánicos por lo regular son inestables y pueden
oxidarse biológica o químicamente para obtener productos finales estables,
relativamente inertes, tales como CO2, NO3, H2O. La indicación del contenido
orgánico de un desecho se obtiene al medir la cantidad de oxígeno que se
requiere para su estabilización.
Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
Mide la cantidad de oxígeno que requieren los microorganismos
mientras descomponen la materia orgánica.
Demanda química de oxígeno (DQO)
Es la cantidad de oxígeno necesario para oxidar completamente el
carbón orgánico a CO2, H2O y NH3.
En esta oxidación química se usa una
mezcla hirviendo de dicromato de potasio y ácido sulfúrico concentrado. Si el
valor de la DQO es mucho más alto que el valor de la DBO, esto significa que
la muestra contiene grandes cantidades de compuestos orgánicos que no son
fácilmente biodegradables.
Carbón orgánico total (COT)
La materia orgánica se puede determinar directamente como carbón
orgánico total (COT) por técnicas especializadas de combustión o por la
capacidad de absorción de rayos UV de la muestra. En ambos casos hay en el
mercado instrumentos comerciales, pero su compra y operación es
relativamente cara y costosa.
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Nitrógeno
Es un elemento importante ya que las reacciones biológicas sólo pueden
efectuarse en presencia de suficiente nitrógeno. Existe en cuatro formas
principales por lo que toca a la ingeniería de salud pública:
a) Nitrógeno orgánico
Nitrógeno en la forma de proteínas, amino ácidos y urea.
b) Nitrógeno amoniacal
Nitrógeno como sales de amoníaco; por ejemplo, (NH4)2CO3, o como amoníaco
libre.
c) Nitrógeno de nitritos
Una etapa intermedia de oxidación que normalmente no se presenta en
grandes cantidades.
d) Nitrógeno de nitratos
Producto final de la oxidación del nitrógeno.
La oxidación de los
compuestos de nitrógeno se llama nitrificación. La reducción del nitrógeno,
que se llama desnitrificación, puede invertir el proceso.
Las concentraciones relativas de las diferentes formas de nitrógeno dan
una indicación útil de la naturaleza y concentración de la muestra. Antes de
disponer del análisis bacteriólogo, se evaluaba la calidad de las aguas con
relación a su contenido de nitrógeno.
Cloruro
Responsable por el sabor salobre en el agua, es un indicador de posible
contaminación del agua residual debido al contenido de cloruro de la orina.
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El sabor del Cl- se hace presente con 250-500 mg/1, aunque una
concentración hasta de 1500 mg/1 es poco probable que sea dañina para
consumidores en un buen estado de salud.
Las aguas residuales industriales tienen también otras características
químicas especializadas que se pueden evaluar, por ejemplo, la presencia de
metales tóxicos, cianuro, fenoles, grasas y aceites, etc.
1.3.3 Características biológicas
Casi todos los desechos orgánicos contienen grandes cantidades de
microorganismos; el agua residual contiene más de 106 microorganismos/ml,
pero los números reales presentes regularmente no se determinan. Después
del tratamiento convencional del agua el efluente todavía contiene una gran
cantidad de microorganismos, al igual que muchas aguas superficiales
naturales.
1.4 MICROORGANISMOS PRESENTES EN AGUAS RESIDUALES
Los principales agentes infecciosos para el hombre y los animales que
pueden encontrarse en el agua residual bruta se pueden clasificar en tres
grandes grupos: las bacterias, los parásitos (protozoos y helmintos) y los virus.
Bacterias
Los organismos patógenos más frecuentes en un agua residual municipal
son
los
que
pertenecientes
al
género
Salmonella.
Este
grupo
de
microorganismos comprende un gran número de especies capaces de producir
enfermedades en las personas y en los animales. Las tres formas distintas de
salmonelosis que pueden producirse en las personas son: fiebres entéricas, las
14
septicemias y la gastroenteritis aguda. La forma más intensa de fiebre
entérica por salmonelosis es la producida por Salmonella typhi.
En un agua residual pueden detectarse numerosos tipos distintos de
bacterias,
entre
las
que
pueden
nombrarse
las
especies
Vibrio,
Mycobacterium, Clostridium, Leptospira sp y Yersinia. Aunque estos
microorganismos patógenos pueden encontrarse en el agua residual, sus
concentraciones son normalmente muy bajas para iniciar un brote epidémico.
La frecuente declaración de casos de gastroenteritis de origen hídrico
sin causa conocida ha hecho sospechar que el agente responsable sea de
naturaleza bacteriana. Entre las posibles causas de esta enfermedad pueden
encontrarse un grupo de bacterias gram negativas consideradas normalmente
como no patógenas. Últimamente se ha considerado el papel como agente
etimológico de brotes epidémicos de origen hídrico de Campylobacter coli en
humanos.
Parásitos
El agua residual municipal puede contener una gran variedad de
protozoos y metazoos de carácter patógeno para el ser humano. El más
peligroso de estos parásitos es probablemente el protozoo Entamoeba
hystolytica, agente responsable de la disentería amébica y de la hepatitis
amébica. Una de las principales enfermedades hídricas es la causada por otro
protozoo, el flagelado Giardia lamblia causante de la giardiasis que provoca
trastornos intestinales, flatulencias, diarreas y malestar general. Los agentes
infecciosos de estos parásitos son quistes con gran resistencia a la
desinfección con cloro.
El agua residual puede contener varios helmintos parásitos. Los más
importantes de estos son los gusanos intestinales, entre los que encontramos
Áscaris lumbricoidea, las tenias
Taenia saginata, Trichuris trichuria
Strongyloides stercoralis y los anquilostomas Ancylostoma duodenale y
Necator americanus.
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Los ciclos biológicos de la mayoría de helmintos son complejos y
requieren en algunos casos de haber estado en un huésped intermedio. El
estadio infeccioso de algunos es o bien el organismo adulto o bien la larva,
mientras que en otros casos los huevos o los quistes son las formas infecciosas
de estos microorganismos. Tanto los huevos como las larvas son resistentes a
las acciones medioambientales y pueden sobrevivir durante el proceso de
desinfección de agua residual.
Virus
Los virus son parásitos intracelulares obligados que sólo son capaces de
multiplicarse dentro de la célula huésped. Los virus entéricos son aquellos que
se multiplican en el conducto intestinal, expulsándose en los excrementos de
la persona infectada.
Los virus entéricos humanos más importantes son: los enterovirus
(polio, echo y Coxsackie), los rotavirus, los reovirus, los parvovirus, los
adenovirus y los virus de la hepatitis A. El virus causante de la hepatitis A es
el declarado con más
frecuencia como transmisible a través del agua
contaminada. El único huésped que se ha encontrado para el virus de la
hepatitis A es el ser humano. Incluso varios investigadores han detectado la
presencia del virus en aguas subterráneas. A pesar de todo parece ser que el
agua juega un papel muy secundario en la transmisión de enfermedades
virales, lo que no quiere decir que se deba subestimar este papel. En principio
cualquier virus excretado y capaz de producir infección a través de su
ingestión, puede ser transmitido mediante un tratamiento inadecuado del
agua residual (Mujeriego, R. 1990).
La supervivencia de las bacterias en el agua depende mucho de la
presencia de otros microorganismos que tengan relación depredación o
competencia. Muchas veces las bacterias sobreviven más en aguas limpias que
en aguas sucias. Al contrario hay cierta evidencia que la supervivencia de los
virus es mejor en las aguas contaminadas, presumiblemente como resultado
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de un efecto protector que los virus encuentran cuando son absorbidos en las
partículas sólidas suspendidas en agua sucia.
Las supervivencias:
•
Bacterias: superiores a 50 días son raras y a 20-30 ºC el tiempo
máximo probable es de 20 días.
•
Virus: aumenta con la disminución de la temperatura. A
20-30 ºC
sobreviven unos 2 meses y a 10 ºC sobreviven unos 9 meses.
•
Quistes de protozoo: sobreviven mal en cualquier ambiente; máximo
para Entamoeba histolytica en aguas contaminadas es de unos 20
días.
•
Huevos de helminto: estos varían desde muy frágiles a los muy
resistentes. El más resistente de todos el Ascaris puede sobrevivir
más de un año. (Salgot, M. 1994) El tiempo de supervivencia varía
considerablemente con factores como: la temperatura y la humedad
(Cruz O.).
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TABLA 1. Tiempo de supervivencia para algunos organismos patógenos en
diferentes ambientes (temperatura de 20-30ºC)a.
ORGANISMOS
PATÓGENOS
TIEMPO DE SUPERVIVENCIA (Días)
AGUA DULCE Y
CULTIVOS
SUELO
RESIDUAL
BACTERIAS
Coliformes fecalesb
<60 más común<30
<30 más común<15
<120 más común<50
Salmonella (spp)b
<60 más común<30
<30 más común<15
<120 más común<50
<30 más común<10
<10 más común<5
<120 más común<50
<30 más común<10
<5 más común<2
<120 más común<50
<30 más común<15
<10 más común<2
<20 más común<10
Muchos meses
<60 más común<30
<Muchos meses
<120 más común<50
<60 más común<15
<100 más común<20
Shigellab
Vibrio Cholerae
c
PROTOZOOS
E. hystolytica, quiste
HELMINTOS
A. lumbricoides,
huevos
VIRUSb
Enterovirusd
FUENTE: Metcalf & Eddy, 2003.
a
Adaptada de Feachem et al. (1983)
b
En agua de mar, la supervivencia viral es menor, y la supervivencia bacterial
es mucho menor que en agua fresca.
c
La supervivencia del V. cholerae en ambientes acuosos es incierta.
d
Incluye virus de la polio, echo y coxsackie.
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Condiciones ambientales: las que más influyen en el comportamiento de los
microorganismos son la radiación ultravioleta, la temperatura y la lluvia. La
temperatura ambiental alta puede producir, por ella misma, el aumento de la
supervivencia de las bacterias, de los protozoos y de las larvas de helmintos y
la disminución de la supervivencia de los virus. También produce un descenso
de la humedad del suelo, factor negativo para la vida de las bacterias, virus y
helmintos. Este descenso de la humedad favorece la aparición de grietas en la
superficie del suelo, las cuales facilitan el movimiento de suspensiones de
microorganismos
hacia
capas
más
profundas.
La
lluvia
favorece
la
supervivencia de patógenos en el suelo porque aumenta el grado de humedad.
A su vez facilita el movimiento de los patógenos ya que aporta el vehículo de
transporte de los microorganismos y, la aportación de agua produce el
descenso de la concentración de cationes, favorece la desorción de los
organismos previamente adsorbidos e impide la inmovilización por una nueva
adsorción.
Condiciones del propio microorganismo: En condiciones óptimas los
coliformes pueden sobrevivir en el suelo muchos meses. En los climas
calurosos, especialmente en los áridos, la supervivencia es limitada a 2-3
meses. Las salmonelas pueden sobrevivir hasta un año si el suelo es húmedo y
rico en materia orgánica (por ejemplo, si ha estado abonado). La información
de que se dispone sobre los virus sugiere que las partículas víricas se adsorben
a las partículas del suelo y se protegen así de los factores ambientales. La
supervivencia es más grande a temperaturas bajas: se han descrito
supervivencias de hasta 3 meses en tiempos calurosos, aumentan a unos 5
meses en las condiciones de tiempo de invierno en Europa. Es poco probable
que los quistes de protozoo sobrevivan más de 10 días en el suelo.
La supervivencia de los huevos de helminto varia enormemente; los
huevos de Áscaris pueden sobrevivir durante algunos años.
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En los vegetales la supervivencia de los patógenos se reduce si las
condiciones
ambientales
prevalecientes
son
clima
árido,
radiaciones
ultravioletas, baja humedad y calor. El tipo de cultivo también afecta la
supervivencia; en hierbas densas y
frondosas ésta aumenta porque les
confiere mayor protección (Salgot, M., 1994).
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