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. 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 2. Organismos patógenos...5 3. Organismos indicadores...5 4. 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. Figura 2. Beneficios sanitarios o efectividad en el cumplimiento de los criterios de diseño para tratamiento de aguas servidas...12 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 Estructura celular Caracterización Eucariotas Eucariota a Multicelular, con gran diferenciación en las células y el tejido Miembros representativos Plantas (plantas de semilla, musgos, helechos). Animales (vertebrados e invertebrados) Unicelular o coenocítica o micelial; con escasa o nula diferenciación de tejidos Eubacterias Procariota b Química celular parecida a Protistas (algas, hongos, protozoos). La mayoría de las bacterias las eucariotas Arqueobacterias Procariota Química celular distintiva 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 Enfermedad Comentario Bacteria Escherichia coli (enteropatogénica) Legionella pneumophila Leptospira (150 esp.) Salmonella typhi Salmonella ( +/-1.700 esp.) Shigella (4 esp.) Vibrio cholerae Yersinia enterolítica Virus Adenovirus (31 tipos) Enterovirus (67 tipos, p.e. polio, eco y virus Coxsakie) Hepatitis A Agente Norwalk Reovirus Rotavirus Gastroenteritis Legionelosis Leptospirosis Fiebre tifoidea Salmonelosis Shigelosis Cólera Yersinosis Enfermedades respiratorias Gastroenteritis, anomalías cardíacas, meningitis Hepatitis infecciosas Gastroenteritis Gastroenteritis Gastroenteritis Diarrea 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 Leptospirosis, fiebre Vómitos - 7 -
Organismo Enfermedad Comentario Protozoos Balantidium coli Crytosporidium Entamoeba histolytica Giardia lamblia 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 Helmintos Ascaris lumbricoides Enterobius vericularis Fasciola hepatica Hymenolepis nana Taenia saginata T. solium Trichuris trichiura 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 10E+8 10E+8 10E+08 10E+6 10E+7 10E+6 10E+5 10E+7 10E+6 10E+6 10E+7 10E+5 10E+2 10E+4 10E+4 10E+3 10E+2 Supervivencia 90 60 90 30 7 30 90 90 90 5 90 5 27 5-27 25 25 20 12 meses 9 meses 9 meses 3 meses Dosis infectiva 10E+3-10E+8 10E+2 10E+6 10E+4 10E+6 10E+2 10E+6 10E+8 10E+9 10E+8 3 1 10E+3 1 10E+3 1 10E+3 1 10E+3 10 100 1 10 1 30 25 100 2 5 1-10 1 10 1 10-8 -
Cuadro 4. Organismos específicos que han sido empleados o propuestos como indicadores de la contaminación humana Organismo indicador Bacterias coliformes Bacterias coliformes Klebisella Escherichia coli Estreptococos fecales Enterococos Clostridium perfringens Características 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. 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). 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. El E. coli es parte de la población bacteriana y es el género de coliformes más representativos de las fuentes de contaminación fecal. 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. 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. 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 Persistencia Resistencia al Cloro VIRUS Adenovirus Desconocida Moderada Entero virus Prolongada Moderada Hepatitis A Desconocida Moderada Norwalk Desconocida Desconocida Rotavirus Desconocida Desconocida BACTERIAS Salmonella typhi Escherichia coli Moderada Baja Campylobacter j. Otras salmonellas Prolongada Baja Shigella sp Vibrio cholerae Breve Baja Yersinia enterocolíica Prolongada Baja Pseudomona a. Aeromonas spp Pueden multiplicarse Moderado Baja PROTOZOOS Entamoeba hystolítica Moderada Alta Giardia lamblia Moderada Alta Cryptosporidium Prolongada Alta HELMINTOS Nematodes Ascaris lumbricoides Prolongada Alta Ancylostoma duodenale Prolongada Alta Necator americanus Prolongada Alta Enterobius vermicularis Prolongada Alta Trichuris trichiura Prolongada Alta Céstodes Taenia saginata Prolongada Alta Taenia solium Prolongada Alta Hymenolepis nana Prolongada Alta - 10 -
Cuadro 6. Eficiencia remocional de coliformes Tratamiento de aguas residuales (expresado en porcentaje) Proceso DBO Coniformes Tratamiento preliminar Cribado fino 5-10 10-20 Cloración crudo o sedimentado 15-30 90-95 Tratamiento primario Sedimentación simple 25-40 25-75 Precipitación química 50-85 40-80 Tratamiento secundario Filtros percoladores 50-95 90-95 Lodos activados 55-95 90-98 Lagunas Primarias 75-85 90-95 Secundarias 90-95 95-99.9 Terciaria 85-95 99.9-99.9 Tratamiento avanzado Cloración aguas tratadas - 98-99 - 11 -
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 - 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 -