DESTRUCCIÓN DE COLIFORMES FECALES Y HUEVOS DE HELMINTOS ENLODOS FISICOQUÍMICOS POR VÍA ÁCIDA

José A. Barrios, Blanca Jiménez, Oscar González, Germán Salgado, LeopoldoSanabria y Rosario Iturbe.

Instituto de Ingeniería UNAM, Apartado Postal 70-472, Ciudad Universitaria, 04510,México, D.F., Tel. (5) 622-3321, fax (5) 616-2164

RESUMEN

Se estudió la estabilización ácida de lodos fisicoquímicos con altas concentraciones dehuevos de helmintos (113.8 huevos/g ST) para producir biosólidos. Se emplearon lodosfisicoquímicos provenientes de la planta de tratamiento de aguas residuales de SanPedro Atocpan (Distrito Federal) con concentraciones de 6.37 a 6.70% de sólidostotales. Los ácidos empleados fueron sulfúrico, perclórico, peracético y acético en dosisde 1,000 a 57,600 ppm dependiendo del ácido. La concentración mínima de huevos dehelmintos alcanzada fue de 1.3 huevos viables/g ST empleando ácido acético. Encuanto a coliformes fecales, el ácido peracético logró reducir su densidad por debajodel límite de detección (< 3 NMP/g ST). En todos los casos se cumplió con lasdensidades requeridas de coliformes fecales para los lodos clase B de acuerdo con laUS EPA y la NOM-004-ECOL-2000.

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, el manejo integral de los lodos residuales ha cobrado gran importanciadebido al potencial de reúso benéfico que éstos presentan. Dentro de las opcionespara reutilizar los lodos, su aplicación en suelos es la práctica más empleada endiversos países de la Comunidad Europea así como en los Estados Unidos,representando aproximadamente 45 y 56% respectivamente (Lue-Hing et al., 1996 yBastian, 1997). En México su manejo se ha limitado a la disposición en lagunas yrellenos sanitarios principalmente, pero se espera que la tendencia se enfoque al reúsobenéfico con la publicación de la Norma Oficial Mexicana NOM-004-ECOL-2000 queestablecerá los límites máximos permisibles de contaminantes para los lodos residualesque sean dispuestos o aprovechados. Esta norma regulará el contenido de metales ymicroorganismos así como la reducción de la atracción de vectores. Para lograr cumplircon los límites de microrganismos que dicha norma establecerá, es necesario aplicaralgún proceso de tratamiento que reduzca considerablemente los contenidos decoliformes fecales, Salmonella sp. y huevos de helmintos contenidos en los lodos.

Dentro de las opciones de tratamiento existen los procesos convencionales (digestiónaerobia y anaerobia, elaboración de composta y estabilización alcalina) y los noconvencionales. En estos últimos se incluyen procesos de tratamiento que no han sidodel todo estudiados y que no se conoce a detalle su eficiencia en la estabilización de loslodos. Uno de estos procesos es la estabilización ácida que aún cuando ha sidoreportada en la literatura, las condiciones de operación del proceso no han sidoestablecidas con detalle al igual que el tipo de ácido más recomendado. Con relación aesto último, se han reportado estudios de estabilización ácida empleando ácidosulfúrico, clorhídrico, peracético, acético y propiónico principalmente (Roth y Keenan,1971; Fraser et al., 1984; Godfree et al., 1984; Owen, 1984; y Kiff y Lewis-Jones,1984).De ellos, el ácido peracético demostró importantes reducciones en la densidad debacterias así como en la viabilidad de los huevos de helmintos, lo cual resultaimportante en nuestro país al contener los lodos altas concentraciones de ellos.Adicionalmente, el ácido peracético ha demostrado su gran poder bactericida y virucidaen agua residual empleando tiempos de contacto cortos (5 min) y condicionesligeramente ácidas (Baldry y French, 1989).

El objetivo de este trabajo es presentar los resultados de la estabilización ácida delodos fisicoquímicos empleando ácidos sulfúrico, perclórico, peracético y acéticoevaluando la destrucción de coliformes fecales y huevos de helmintos.

MATERIALES Y MÉTODOS

El lodo empleado en las pruebas de estabilización ácida fue tomado de la purga de lossedimentadores primarios de la planta de tratamiento de San Pedro Atocpan en elDistrito Federal. La planta opera a un caudal promedio de 35 L/s de agua residual a lacual se le dosifica sulfato de aluminio en dosis de 66 mg/L. Los lodos generados sonllevados de la purga de los sedimentadores primarios hacia un espesador en el quepermanecen un período aproximado de 15 días antes de ser desalojados de la planta.Las muestras tomadas para la realización de este estudio presentaron un contenido desólidos totales de 6.37 a 6.70%.

Las muestras de lodo crudo fueron estabilizadas empleando ácidos sulfúrico, perclórico,peracético y acético en diferentes dosis de acuerdo con la Tabla 1. Como se observaen ella, las concentraciones de los ácidos empleados difieren notablemente entre sí.En el caso de los ácidos sulfúrico y perclórico se trabajó a una concentración del 20%para facilitar su manejo y disminuir el riesgo de quemaduras. Respecto al ácidoperacético, el producto obtenido (Perabac-QPM, Quimiproductos) se comercializa a esaconcentración máxima (3.7%), recomendando su uso directo como desinfectante. Porsu parte, el ácido acético se manejó a una concentración del 50% debido a que suscaracterísticas químicas lo catalogan como un ácido débil con pocas restricciones demanejo.

Tabla 1. Tipo de ácido, concentración y dosis empleadas en la estabilización ácida.

Sólidos totales,%

Concentración del ácido,% v/v

Tipo deácido

Dosis,ppm

6.70 20 Sulfúrico 4,400 - 57,6006.56 20 Perclórico 2,600 - 32,9006.70 3.7 Peracético 1,000 – 5,0006.37 50 Acético 3,700 - 22,000

Las dosis empleadas de ácido sulfúrico y perclórico fueron determinadas en ellaboratorio mediante una curva de pH–dosis de ácido para lograr alcanzar los pH’srecomendados para la estabilización (menores de 3.5 unidades; Roth y Keenan, 1971;Wortman et al., 1986; y Blais et al., 1992). Para el ácido peracético, estas dosis fueronconsiderablemente mayores que las presentadas en la literatura (500 ppm) debido aque en ella se reportan tiempos de contacto de hasta 7 días (Owen, 1984). De igualmodo, en el caso del ácido acético, los tiempos de contacto reportados son de hasta 19días con dosis de 400 ppm (Kiff y Lewis-Jones, 1984).

Para las pruebas de estabilización ácida se empleó un equipo de prueba de jarrasoperando a una velocidad de agitación de 320 rpm durante 30 minutos, al final de loscuales se tomaron las muestras para determinación de pH, sólidos totales, coliformesfecales y huevos de helmintos viables de acuerdo a las técnicas recomendadas por losMétodos Estándar (APHA-AWWA-WPCF, 1995) y la Agencia de Protección al Ambientede los Estados Unidos (EPA, 1992). En todos los casos se emplearon muestras de 1 Lde lodo con excepción del ácido peracético en el que se emplearon muestras de 0.8 Ldebido a la gran cantidad de espuma que se genera durante la reacción del ácidoperacético y del peróxido de hidrógeno con algunas enzimas.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

pH

La importancia del pH en el lodo estabilizado radica en el efecto que éste tiene sobre lafloculación de los lodos para su acondicionamiento y posterior deshidratación con elobjeto de facilitar su manejo y disminuir los costos de transporte. El pH del lododetermina la carga eléctrica superficial de las partículas así como el grado de ionizaciónde los polímeros empleados en el acondicionamiento (Allied Colloids, 1988). Estospolímeros operan generalmente en un intervalo de pH de 4 a 12 unidades por lo queuna excesiva acidificación del lodo puede acarrear problemas durante el deshidratado.Adicionalmente, el pH del lodo afecta de manera directa la destrucción y recrecimientode microrganismos, aparentemente desnaturalizando las enzimas, impidiendo lasupervivencia de la mayoría de ellos a pH’s por debajo de 4 unidades (McKinney,1962). Por lo anterior, es indispensable evaluar el pH del lodo estabilizado paradeterminar su influencia en la estabilización y en el futuro desaguado.

La Figura 1 presenta los valores de pH obtenidos durante las pruebas con cada tipo deácido. En ella se observa que el empleo de ácido acético aún a dosis mayores de20,000 ppm no reduce el pH por debajo del intervalo recomendado para elacondicionamiento, lo cual representa una ventaja importante sobre los ácidosrestantes que deberá ser considerada para efectos de selección del ácido a emplear enfuturos estudios.

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Dosis de ácido, ppm

Sulfúrico

Perclórico

Peracético

Acético

Figura 1. Valores de pH en lodo estabilizado con diferentes ácidos.

En el caso de los ácidos sulfúrico y perclórico, la disminución del pH es notable debidoa la fortaleza de ambos. Cabe mencionar que las diferencias del pH con estos dosácidos se pueden deber a la alcalinidad del lodo que posiblemente varió de unmuestreo a otro o, más probablemente, a que el ácido perclórico posee una constantede disociación mayor que el ácido sulfúrico (Ka=107 vs. 103).

Coliformes fecales

Los coliformes fecales son empleados como indicadores de contaminación fecal enagua y lodos debido a que sus características de indicadores incluyen una mayordensidad, y persistencia que otros microrganismos patógenos presentes en las hecesfecales. Por ello se pueden utilizar para evaluar de manera indirecta la destrucción deestos últimos. Así, es posible determinar indirectamente la destrucción de las bacteriasdel género Salmonella por medio de ellos y con ello evaluar la eficiencia lograda en laestabilización ácida. En los lodos fisicoquímicos, la densidad de coliformes fecalespuede llegar a ser de 1010 NMP/g ST (Jiménez et al., 1997), superando hasta en 3unidades logarítmicas la densidad en lodos primarios crudos generados en los Estados

Unidos (Lue-Hing et al., 1992) por lo que es fundamental que se logre una reducciónsignificativa.

Para el caso de los lodos empleados en el presente trabajo, la densidad de coliformesfecales varió de 1.5 x 106 a 1.1 x 107 NMP/g ST en el lodo crudo. Como ya semencionó, la disminución en el pH resulta en una destrucción importante de lasbacterias, incluyendo coliformes fecales, lo cual confiere al lodo su estabilidad en esteaspecto. En el caso de Salmonella, su actividad se desarrolla a pH’s de 5.5 a 9.0 por loque los pH’s manejados en la investigación las inhiben por completo (Reimers et al.,1986).

La Figura 2 presenta la destrucción de coliformes fecales en las pruebas deestabilización ácida. De acuerdo con los límites establecidos por la EPA para lodosclase A (< 1,000 NMP/g ST), los ácidos sulfúrico, peracético y acético cumplirían enmás del 80% de las muestras con este criterio (100% en el caso del peracético). Por suparte, el ácido perclórico sería capaz de producir lodos clase B que podrían serempleados como fertilizantes o mejoradores de suelos, entre otros, debido a lasrestricciones en su aplicación con el fin de evitar el contacto público con los lodos. Lamenor destrucción del ácido perclórico aparentemente está relacionada con su bajacapacidad oxidante así como con la moderada toxicidad que presenta.

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Dosis de ácido, ppm

Sulfúrico

Perclórico

Peracético

Acético

Límite Clase A

Límite Clase B

Figura 2. Destrucción de coliformes fecales mediante estabilización ácida.

Se observa también que el ácido peracético logra disminuir la densidad de coliformesfecales por debajo del límite de detección aún empleando dosis significativamentemenores que con los demás ácidos. Aparentemente, ésto se debe a que aldescomponerse se libera una gran cantidad de oxígeno activo que combinada con laacción oxidante del peróxido de hidrógeno contenido (28%) actúan sobre los gruposfuncionales de las enzimas de los microrganismos destruyendo la membrana de losmismos.

Comparando los valores de pH de la Figura 1 con la destrucción de coliformes fecalesde la Figura 2 para las muestras que emplearon ácido acético se aprecia que el pH noestá directamente relacionado con dicha destrucción. Se presume que ésta se debió alefecto inhibitorio en la reproducción de las células que posee el ácido acético sobre lasbacterias (Richardson y Gangolli, 1993), efecto que es aprovechado en la preservaciónde alimentos.

Huevos de helmintos

El destruir o inactivar los huevos de helmintos en los lodos es de vital importancia si seplanea aplicarlos en suelos debido a su capacidad para sobrevivir por largos periodosde tiempo aún en condiciones adversas (EPA, 1991). En México se estima en 33% lapoblación infectada únicamente por Ascaris (Biagi, 1990), lo cual concuerda con losaltos porcentajes (> 90%) de huevos de esta especie encontrados en los lodosestudiados. Además, los huevos de esta especie están considerados entre los másresistentes de los helmintos (Carrington y Harman, 1984) lo cual incrementa suimportancia.

La Figura 3 muestra los resultados de los análisis de huevos de helmintos en lasmuestras de lodo crudo y acidificadas. Se puede notar un valor máximo en la muestrade lodo crudo antes de agregarle el ácido perclórico de 113.8 huevos viables por cadagramo de sólidos totales. Sin embargo, se nota una definida reducción en el número dehuevos contados en todas las muestras acidificadas, logrando llegar a concentracionesde 1.3 huevos viables/g ST en la muestra de ácido acético (22,000 ppm).

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Dosis de ácido, ppm

Sulfúrico

Perclórico

Peracético

Acético

Figura 3. Destrucción de huevos de helmintos mediante estabilización ácida.

En el caso de los ácidos perclórico, peracético y acético, se observa que logranreducciones importantes en la concentración de huevos de helmintos. Aparentemente

existe una mayor compatibilidad entre algunos tipos de ácidos con las enzimas de lamembrana de los huevos lo cual ocasiona el rompimiento de la membrana y lapenetración del ácido en el núcleo logrando su inactivación.

En cuanto al ácido sulfúrico, éste presentó una menor reducción comparada con losdemás ácidos. Cabe mencionar que para determinar la viabilidad de los huevos dehelmintos las muestras son incubadas en una solución de ácido sulfúrico 0.1 N lo cualsugeriría que el efecto inhibidor de este ácido sobre los huevos sea bajo, requiriendodosis muy altas o concentraciones mayores para lograr la inactivación.

De acuerdo con la normatividad de la EPA, los lodos clase A no deben contener más de1 huevo de helminto viable por cada 4 gramos de sólidos totales. Comparando esevalor límite con las concentraciones de huevos de helmintos en las muestrasacidificadas se determina que no cumplen con dicho criterio. Cabe mencionar que lasconcentraciones de huevos de helmintos en lodos primarios generados en EstadosUnidos son alrededor de 2 órdenes de magnitud menores (< 1 huevo/g ST; Lue-Hing,1998).En cuanto a la Norma Oficial Mexicana (NOM 004-ECOL-2000), los límites de huevosde helmintos propuestos son de 35 y 10 huevos por gramo de sólidos totales para lasclases B y A respectivamente. De acuerdo con esos valores, únicamente las muestrasestabilizadas con ácido perclórico (> 8,000 ppm) y algunas con ácidos peracético yacético podrían cumplir para la clase A. Para la clase B, el 100% de las muestras quefueron acidificadas con ácidos perclórico, peracético y acético cumplirían con losvalores propuestos.

Con respecto al ácido sulfúrico, únicamente la muestra que fue estabilizada con 57,600ppm cumpliría con el criterio de clase B de la NOM por lo que sus posibilidades deaplicación se reducen considerablemente.

Tabla 2. Eficiencias de destrucción de coliformes fecales y de inactivación de huevos dehelmintos.

Coliformes fecales, logHuevos de helmintos,

%

Ácido Máx Mín Prom Máx Mín PromSulfúrico 4.81 3.13 4.05 61% 2% 31%Perclórico 4.00 2.98 3.15 97% 62% 80%Peracético 5.70 5.70 5.70 92% 77% 83%

Acético 5.56 1.41 4.61 98% 69% 88%

La Tabla 2 presenta un resumen de las eficiencias de destrucción de coliformes fecalesy de inactivación de huevos de helmintos logradas con cada uno de los ácidosempleados. Se observa que en cuanto a coliformes fecales, el ácido peracético logróuna mayor destrucción en todas las dosis, llegando a valores por debajo del límite dedetección (3 NMP/g ST). Por su parte, el ácido acético logró una mayor inactivación dehuevos de helmintos llegando a concentraciones de 1.3 huevos viables/g ST. De

acuerdo con las eficiencias de estabilización para ambos parámetros, el ácido acéticopresenta las mayores destrucciones por lo que se recomienda su uso en futurosestudios de estabilización ácida.

La Figura 4 muestra tres huevos de Ascaris provenientes del lodo acidificado con ácidoacético. En el primero se observa claramente el daño presentado en la membrana delhuevecillo al parecer derivado de la acción del ácido sobre la membrana. Por su parte,el segundo muestra el núcleo dañado por el ingreso del ácido acético al interior delhuevo impidiendo de esta manera el desarrollo de la larva. Los dos primeros huevosfueron obtenidos después del período de incubación por lo que al no presentar larva ensu interior no se consideran viables, mientras que el tercero se encuentra larvado y sepresenta como ejemplo.

Fig. 4.a Fig. 4.b

Fig. 4.cFigura 4. Huevos de Ascaris dañados en la estabilización con ácido acético: 4.a Huevo

dañado en la membrana; 4.b Huevo con el núcleo dañado; 4.c Huevo larvado.

CONCLUSIONES

De acuerdo con los resultados obtenidos en este trabajo, es factible emplear laestabilización ácida para producir biosólidos que cumplan con las normas de la US EPAy con la Normatividad Mexicana para su disposición o aprovechamiento en cuanto acontenido de microrganismos y huevos de helmintos.

De los ácidos empleados en la estabilización, el acético presenta importantes ventajassobre los demás considerando los niveles de coliformes fecales y huevos de helmintosalcanzados, así como el pH del lodo estabilizado. Adicionalmente, características comosu biodegradabilidad, facilidad de obtención e inexistencia de subproductos tóxicos loproyectan como el mejor ácido de los cuatro evaluados.

Es necesario realizar estudios adicionales con el ácido peracético y de ser posibleobtener un producto con una concentración mayor para evaluar su efecto sobre loshuevos de helmintos. Sin embargo, su alta reactividad y dificultad de manejo podríanreducir la factibilidad de aplicarlo en un proceso a escala real.

El ácido sulfúrico presentó buenas remociones de coliformes fecales mas no así dehuevos de helmintos por lo que su uso en pruebas posteriores no se recomiendaademás de la reducción considerable del pH que limitaría la aplicación de polímerospara el acondicionamiento y desaguado.

Respecto al ácido perclórico, las densidades de coliformes fecales y huevos dehelmintos alcanzadas podrían producir lodos clase B de acuerdo con las normas. Sinembargo, es necesaria una evaluación económica para determinar su factibilidad dentrodel proceso.

Es necesario realizar estudios posteriores que determinen la existencia derecrecimiento de bacterias en los lodos estabilizados con el propósito de determinar suaplicabilidad en la agricultura sin riesgos potenciales a la salud.

Tomando como base los resultados de este trabajo, se demuestra que el tipo de ácidoinfluye más en la destrucción de huevos de helmintos que el pH al cual se lleva a cabola estabilización.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y a la DirecciónGeneral de Asuntos del Personal Académico de la UNAM el apoyo brindado para larealización de este trabajo.

REFERENCIAS

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