Unidad 3- Aguas Superficiales.pdf

Tabla de Contenido 3.

UNIDAD III .................................................................................................. 3 3.1

Aguas Superficiales ................................................................................. 3

3.2

Organismos Propios de las aguas Superficiales .......................................... 5

3.2.1

Algas ................................................................................................ 6

3.2.2

Bacterias .......................................................................................... 9

3.2.3

Protozoarios ..................................................................................... 9

3.2.4

Rotíferos, Copépodos y otros Crustáceos .......................................... 10

3.2.5

Insectos ......................................................................................... 10

3.3

Organismos Patógenos en las Agua Superficiales .................................... 12

3.3.1

Bacterias Patógenas ........................................................................ 12

3.3.2

Escherichia Coli ............................................................................... 14

3.3.3

Virus entéricos ................................................................................ 16

3.3.4

Enteroparásitos ............................................................................... 19

3.3.5

Protozoarios patógenos ................................................................... 21

3.3.6

Helmintos enteropatógenos ............................................................. 23

3.3.7

Cyanobacterias (algas azul-verdes) .................................................. 26

3.4

Indicadores Microbiológicos de la Calidad del Agua ................................. 29

3.4.1

Grupo coliforme .............................................................................. 30

3.4.2

Coliformes totales ........................................................................... 31

3.4.3

Coliformes termotolerantes (fecales) ................................................ 31

3.5

Sistemas de Tratamiento de Aguas ........................................................ 34

3.5.1

La Depuración de las Aguas Residuales ............................................ 35

3.5.2

Principales Operaciones Unitarias Empleadas en el Tratamiento del

Agua

46

3.5.3

Tratamiento Biológico en la Depuración de las Aguas Residuales ....... 53

3.5.4

El proceso aerobio para la depuración de aguas residuales ................ 55

3.5.5

El proceso anaerobio para la depuración de aguas residuales ............ 57

3.5.6

Sistemas de Tratamiento Naturales .................................................. 62

3.5.7

Plantas de Tratamiento de Agua o Plantas Potabilizadoras ................. 68

3.5.8

Características de las AguasResiduales Municipales ........................... 77

3.6

Bibliografía ........................................................................................... 90

UNIDAD III

AGUAS SUPERFICIALES

Las aguas superficiales están expuestas a una amplia gama de factores que pueden alterar su calidad biológica y ocasionar cambios simples o complejos y con diferentes niveles de intensidad.

Esta alteración se puede originar en eventos naturales o en actividades antropogénicas, como el uso doméstico del agua y la consiguiente producción de aguas residuales, de la industria, minería y agricultura, entre otras.

La contaminación fecal de las fuentes de aguas superficiales para abastecimiento de consumo humano es uno de los problemas más preocupantes en los países en vías de desarrollo. En las grandes ciudades esta contaminación se debe principalmente al vertimiento de los desagües sin ningún tratamiento. También se ha observado que la contaminación fecal es intensa en las zonas de arrastre provenientes de los corrales de engorde de bovinos y de las avícolas.

Además del vertimiento o infiltración de aguas residuales sin tratar, también aportan contaminantes los lixiviados de rellenos sanitarios, los efluentes de aguas residuales con tratamiento deficiente, las infiltraciones de tanques sépticos, etcétera. Asimismo, la escorrentía pluvial y las inundaciones ocasionan el deterioro de la calidad del agua de los recursos hídricos.

En las zonas rurales la contaminación fecal se origina por la defecación a campo abierto y por la presencia de animales domésticos y silvestres que actúan como reservorios de agentes patógenos.

El uso de aguas superficiales como fuentes de agua de bebida implica un riesgo de transmisión de enfermedades hídricas. Los agentes patógenos involucrados con la transmisión por esta vía son las bacterias, virus y protozoos, helmintos y cyanobacterias, que pueden causar enfermedades con diferentes niveles de gravedad, desde una gastroenteritis simple hasta serios y a veces fatales cuadros de diarrea, disentería, hepatitis o fiebre tifoidea. La transmisión hídrica es solo una de las vías, pues estos agentes patógenos también pueden transmitirse a través de alimentos, de persona a persona debido a malos hábitos higiénicos y de los animales al hombre, entre otras vías.

Los agentes patógenos y los organismos productores de toxinas que pueden estar presentes en aguas superficiales y cuya transmisión hídrica está demostrada pertenecen a los grupos detallados en la tabla 1:

Tabla 1. Agentes patógenos y organismos productores de toxinas en Fuente: Aurazo, 2004

Se ha demostrado la presencia de patógenos en aguas superficiales, así como su relación con los brotes epidémicos. En algunos casos no se ha detectado la fuente de origen pero, por las características del brote, se presume que su transmisión ha ocurrido por la vía hídrica. Brotes de Giardia, Cryptosporidium y fiebre tifoidea con transmisión hídrica han sido bien documentados.

ORGANISMOS PROPIOS DE LAS AGUAS SUPERFICIALES

En las aguas superficiales se encuentra una amplia gama de organismos no perceptibles a simple vista. En condiciones normales, estos organismos permiten el desarrollo de los ciclos biológicos y químicos en el cuerpo de agua y no son necesariamente nocivos para la salud o para el tratamiento del agua.

Los organismos propios de las aguas superficiales están en permanente actividad y ninguno vive aislado. Su existencia depende del medio que los rodea. Se entiende por medio tanto el ambiente físico como los organismos con los cuales se convive. Todos forman parte de un ecosistema.

Un ecosistema es una unidad ecológica cuyos componentes básicos, fisicoquímicos y biológicos, operan juntos para producir una estabilidad funcional.

La supervivencia de los microorganismos propios de las aguas superficiales está ligada a la presencia de ciertos factores tales como temperatura, horas luz e intensidad luz, gas carbónico, nutrientes, minerales, entre otros, y precisamente la contaminación del agua altera dichos factores debido a la introducción de sustancias extrañas al ecosistema.

En un ecosistema acuático, la luz solar regula la fotosíntesis y los organismos que tienen clorofila, como las algas, acumulan energía que utilizan para su sostenimiento, crecimiento y reproducción. Este grupo de organismos son los productores primarios, su energía es transmitida a los animales herbívoros, como los Cladóceros, los Copépodos y los Rotíferos, que se alimentan de las algas y por ello se les conoce como consumidores de primer

orden. Estos, a su vez, sirven de alimento para los consumidores de los órdenes sucesivos. De este modo, se forma una red alimenticia cuya diversidad aumenta con la organización y complejidad del ecosistema.

En las aguas superficiales existe un grupo de organismos que actúan en los procesos de biodegradación. Este grupo está conformado principalmente por bacterias y hongos. Estos organismos transforman la materia orgánica muerta en compuestos inorgánicos simples. La biodegradación de la materia orgánica favorece la autodepuración de las aguas, que se produce cuando la materia está constituida por sustancias que pueden ser biodegradadas por los microorganismos responsables de esta actividad biológica.

Los organismos que en forma normal se encuentran en las aguas superficiales son los siguientes:

Algas

Son plantas de organización sencilla, fotosintéticas. Presentan clorofila. Existen en formas unicelulares, coloniales y pluricelulares. La clasificación sanitaria de las algas está basada en sus características más saltantes y de fácil observación. Dicha clasificación considera los siguientes grupos: algas azul-verdes, algas verdes, diatomeas y algas flageladas.

En

las

diversidad

aguas de

superficiales algas:

existe

flotantes,

una

epifitas,

litorales y bentónicas. Su reproducción guarda estrecha relación con la naturaleza de los distintos hábitat, caracterizados a su vez por diferentes factores ecológicos como la luz, la temperatura, los nutrientes como los nitratos y los fosfatos, el oxígeno, el anhídrido carbónico y las sales minerales.

El incremento anormal de las algas se produce por el exceso de nutrientes y cambios en la temperatura. Este fenómeno se conoce como eutrofización o eutroficación y tiene como consecuencia múltiples dificultades en el tratamiento y la desinfección del agua por la producción de triahalometanos y otras sustancias químicas que alteran el sabor y el olor del agua tratada.

Cuando las algas traspasan ciertos valores por unidad de volumen —valores que dependen de la especie de alga predominante, la temperatura del agua, el tipo de tratamiento, etcétera—, causan problemas en las plantas de tratamiento. Estos problemas son los siguientes:

Sabor y olor. Se ha detectado que algunas algas producen olor a pescado, tierra y pasto, entre otros.

Color. La abundancia de las algas clorófitas produce un color verde en el agua; otras, como la Oscilatoria rubens, originan un color rojo.

Toxicidad. Algunos tipos de algas azul-verdes, actualmente denominadas cyanobacterias, causan disturbios gastrointestinales en los seres humanos.

Corrosión. Algas como la Oscillatoria pueden producir corrosión en las piezas o tubos de concreto armado y en los tubos de acero expuestos a la luz. Algunas veces el agua influye en la modificación química del medio.

Obstrucción de filtros. Cuando la decantación no se realiza en forma adecuada, pueden pasar organismos al filtro y colmatarlo. Las diatomeas constituyen el grupo de algas que causa mayores problemas por poseer cubiertas de sílice que no se destruyen después de su muerte.

Dificultad en la decantación química. Existen algunos tipos de Cyanobacterias que al envejecer, forman bolas de aire en su citoplasma. Los flóculos de hidrógeno de aluminio aglutinan estas algas sin decantar y causan problemas.

Alteración del pH. Esta alteración se produce debido al consumo de CO2 con precipitación de CaCO3, lo que aumenta el pH.

El control de la densidad de algas en las fuentes de agua destinadas al abastecimiento debe efectuarse en forma preventiva. Se debe limitar el ingreso de nitrato y de fosfatos a la fuente. En el caso de que se requiera un proceso correctivo, este puede efectuarse mediante el uso de alguicidas como el sulfato de cobre, el cloro o una combinación de ambos.

En este proceso se deben tomar en cuenta muchos aspectos. Uno de ellos es la cantidad de alguicida que se debe emplear. Se debe utilizar una dosis que no afecte al hombre ni a los peces.

La dosis debe calcularse según la especie predominante y su concentración. El sulfato de cobre es uno de los alguicidas más usados. Debe emplearse en dosis inferiores a una parte por millón.

Bacterias

Son seres de organización simple, unicelulares. Se distribuyen en una amplia variedad de sustratos orgánicos (suelo, agua, polvo atmosférico). La mayor parte de bacterias son beneficiosas para el ecosistema acuático. De ellas depende la mayor parte de las transformaciones orgánicas. Favorecen la autodepuración de los cuerpos de agua. Existe otro grupo de bacterias que son patógenas y que pueden causar enfermedades graves en el hombre y en los animales.

Protozoarios Son organismos unicelulares, con una amplia distribución en los cuerpos acuáticos. La mayor

parte

de

los

protozoarios

son

beneficiosos, pues contribuyen a preservar el equilibrio de los ecosistemas acuáticos. Su incremento

anormal

puede

ocasionar

alteraciones en el ecosistema acuático; otro grupo de protozoarios son parásitos y pueden causar enfermedades en el hombre y en los animales.

Rotíferos, Copépodos y otros Crustáceos

Conforman los grupos predominantes del zooplancton de aguas superficiales y, al igual que los protozoarios, participan en la cadena alimenticia de los ecosistemas acuáticos. El incremento anormal del zooplancton causa un desequilibrio en el sistema y trae consecuencias negativas como la disminución del oxígeno disuelto, alteraciones en el pH, en el olor y el color del agua, entre otras.

Insectos

El agua constituye el hábitat de diversos insectos acuáticos que desarrollan su ciclo evolutivo en los diferentes estratos de la columna de agua. Otro grupo de insectos solo desarrolla parte de su ciclo evolutivo en el agua, y en sus estadios larvarios y como huevos conforman el zooplancton en forma temporal.

Los grupos de organismos antes mencionados están en permanente actividad dentro del cuerpo de agua, pero ninguno vive aislado. Su existencia depende del medio, definido tal como vimos anteriormente. Como puede observarse, los factores que intervienen en los ecosistemas de aguas superficiales son múltiples. Se considera que la calidad del agua superficial es muy variable y necesita caracterizarse durante un periodo determinado para definir los aspectos que deben considerarse en el tratamiento y los parámetros que servirán para el control del mismo.

En conclusión, la presencia de los organismos de vida libre en condiciones normales es beneficiosa para las aguas superficiales. Se convierte en un problema cuando su

concentración y composición alteran la calidad del agua y se presentan dificultades para el uso y tratamiento del recurso hídrico.

En la Figura 1 se ilustran los microorganimos que pueden estar presentes en las aguas superficiales.

Figura 1. Microorganismos en aguas superficiales Fuente: Aurazo, 2004.

ORGANISMOS PATÓGENOS EN LAS AGUA SUPERFICIALES

En el apartado siguiente se describen los agentes patógenos u organismos productores de toxinas que pueden estar presentes en las aguas superficiales.

Bacterias Patógenas

Las bacterias son microorganismos unicelulares. Miden desde menos de un micrómetro hasta diez micrómetros de longitud y de 0,2 a un micrómetro de ancho. Hay algunas que tienen forma de bacilos como la Escherichia coli.

Otras son esféricas, llamadas cocos, y otras espirales. Las bacterias se encuentran cubiertas por una pared celular fuerte y rígida y están provistas de una cápsula viscosa que representa una capa protectora

adicional,

lo

que

permite

su

supervivencia en el ambiente, según las condiciones ambientales, durante varias horas o días.

Las bacterias patógenas de transmisión hídrica provienen de seres humanos y de animales de sangre caliente (animales domésticos, ganados y animales silvestres). Estos agentes microbianos llegan a los cursos de agua a través de las descargas de aguas residuales sin tratar o con tratamiento deficiente, drenaje de lluvias, descargas de plantas de procesamiento de carne de ganado y de aves, escorrentías que pasan por los corrales de ganado.

En las zonas rurales la práctica de la defecación a campo abierto también constituye una fuente de contaminación de las aguas superficiales. En cambio, las aguas de origen subterráneo tienen una baja incidencia de contaminación bacteriana. Se ha demostrado la presencia de bacterias patógenas en aguas superficiales. Sin embargo, no todas las bacterias patógenas que se transmiten por el agua tienen igual significado para la salud. La presencia de algunas representa un serio riesgo y su eliminación del agua de consumo humano es de alta prioridad debido a que su ingestión podría ocasionar una epidemia con consecuencias graves para la salud de la población.

Otras se presentan en forma natural en las aguas y normalmente no son patógenas, pero pueden causar enfermedades en personas con ciertas deficiencias orgánicas que facilitan la infección. Estos microorganismos se denominan bacterias patógenas oportunistas.

Las bacterias patógenas que tienen un alto significado para la salud son el Vibrio cholerae, la Escherichia coli enteropatogénica, la Salmonella typhi, la Shigella, el Campylobacter

jejune y la Yersinia enterocolitica, entre otras.

Estas bacterias se transmiten por vía oral. La mayoría tiene un tiempo de persistencia en el agua que va de corto a moderado, baja resistencia al cloro y una dosis infectiva alta. Se ha demostrado que en algunas bacterias como la Salmonella, el reservorio animal cumple un papel importante.

También se sabe que la mayoría de bacterias patógenas no se multiplican en el ambiente, pero algunas, como el Vibrio cholerae, pueden multiplicarse en aguas naturales.

Uno de los factores que permiten la transmisión hídrica es el alto número de bacterias que elimina un individuo enfermo. En el caso de la Escherichia coli, elimina 108 por gramo de heces; en el de la Salmonella, 106; en el del Campylobacter, 107; y en el del Vibrio

cholerae, 106. Otro factor importante es el tiempo de supervivencia en agua: la E. coli y la Salmonella viven 90 días, la Shigella se mantiene por 30 días; el Campylobacter, por 7 días; y el Vibrio

cholerae, por 30 días.

Figura 2 Aislamiento de Vibrio cholerae en medio TSBS Fuente: Aurazo, 2004.

Con respecto a la dosis infectiva, factor que debe tenerse en cuenta cuando se trata de interpretar el significado de la presencia de las bacterias en el agua, la de E. coli está entre 102 y 109; la de Salmonella, en 107; y la de Vibrio cholerae, en 103

Escherichia Coli

Estudios recientes han considerado la importancia del Campylobacter como un agente causal de enteritis, gastritis y otras enfermedades en los seres humanos.

Se han detectado situaciones de riesgo por la ingestión de agua sin desinfección y contaminada con residuos fecales de pájaros silvestres.

En las aguas superficiales sin tratar se ha demostrado la presencia de las bacterias patógenas antes mencionadas. Es muy difícil demostrar que están en el agua tratada. Si se detectase su presencia, ello indicaría que se están presentando serias fallas en el diseño y el manejo del sistema y también la posible presencia de sedimentos en las redes de distribución del agua debido a fluctuaciones en la presión. Los tratamientos convencionales y la desinfección son eficaces contra las bacterias patógenas.

Las bacterias patógenas oportunistas se presentan en forma natural en las aguas y pueden causar enfermedades cuando se exponen individuos en situaciones de riesgo, como ancianos, niños, pacientes que están recibiendo terapias que disminuyen las defensas, individuos inmunodeprimidos y con sida. El agente microbiano puede producir una variedad de infecciones que ingresan por la piel, las membranas mucosas de los ojos, los oídos y la nariz, por vía oral e inhalación. Estas bacterias pueden multiplicarse en el agua tratada, tienen resistencia entre leve y moderada al cloro y no tienen reservorio animal. Las bacterias hídricas patógenas oportunistas son Legionella, Pseudomonas

aeruginosa, Aeromonas y Mycobacterium.Las bacterias patógenas se encuentran dispersas en los cuerpos de agua superficiales. Para su determinación, se requiere alguna técnica de concentración, antes de efectuar el aislamiento e identificación. El análisis se realiza con el auxilio de medios de cultivo y temperaturas específicas.

Tabla 2. Agentes patógenos y organismos productores de toxinas en aguas superficiales

Fuente: Aurazo, 2004.

Virus entéricos

Los virus son moléculas de ácido nucleico que pueden penetrar en las células y replicarse en ellas. Son acelulares y están constituidos por ácido nucleico y por proteínas. Entre las familias de Enterovirus que se han detectado en el agua están los Picornavirus, que miden entre 27 y 28 nanómetros; los Reovirus, de 70 nanómetros; los Adenovirus, que tienen entre 65 y 80 nanómetros; y los Papovirus, de entre 45 y 55 nanómetros.

Los virus entéricos se multiplican en el intestino del hombre y son excretados en gran número en las heces de los individuos infectados. Algunos virus entéricos sobreviven en el

ambiente y permanecen infectivos. Es complicado encontrar la relación entre la ocurrencia de virus en el agua y el riesgo para la salud de la población, debido a que en el desarrollo de la enfermedad están involucrados muchos factores.

Figura 3. Microfotografía electrónica de virus.

Fuente: Aurazo, 2004.

La incidencia de los virus que infectan al hombre, tanto en los ambientes acuáticos como en los procesos de tratamiento, puede ser diferente de la incidencia de los indicadores fecales. Este comportamiento se debe a las siguientes razones:

• El número de virus en los ambientes acuáticos es generalmente inferior, en varios órdenes de magnitud, que los coliformes termotolerantes. • Los virus son excretados durante periodos cortos y en número elevado, hasta 1012 por gramo de heces.

• La estructura, la composición, la morfología y el tamaño de los virus difiere fundamentalmente del de las bacterias, lo que determina que el comportamiento y la supervivencia sean diferentes.

En aguas superficiales sin tratar se ha detectado la presencia del grupo Picornavirus, que incluye al virus de la hepatitis A. Estos virus son sumamente resistentes a la inactivación por los factores ambientales. Esto ocurre cuando los virus se encuentran adheridos a los sedimentos y partículas propias de las aguas superficiales. La presencia de Rotavirus en agua de abastecimiento tiene una alta relevancia para la salud pública y, en especial, para los niños, que pueden verse afectados por severos cuadros de diarrea.

En general, los virus entéricos son capaces de producir una variedad de síndromes que

incluyen

gastroenteritis,

fiebre, miocarditis,

meningitis, enfermedades

respiratorias y hepatitis. Aún no se conoce con certeza la relación entre la presencia de virus en el agua y el riesgo para la salud humana debido a la variedad de factores que influyen en su transmisión por vía hídrica. La dispersión de las infecciones virales se agrava por la posible transmisión secundaria y aun terciaria debido a otras rutas diferentes del agua, que en determinados casos constituye el origen de la infección.

Un tratamiento apropiado y la desinfección del agua son pasos esenciales para la eliminación de los virus. Debido al riesgo que representa la presencia de virus en el agua de abastecimiento humano, es deseable que se incluya el análisis virológico en la vigilancia de la calidad del agua, pero debido al elevado costo de este tipo de análisis, a la complejidad del procedimiento y al tiempo que demanda, no es posible incluirlo como un parámetro de rutina en la vigilancia de la calidad del agua

y aún se considera válida la vigilancia en función de la detección de indicadores bacteriológicos.

Los métodos de detección de virus incluyen la recuperación de pequeñas cantidades de virus en volúmenes grandes de agua. Para su identificación, una de las técnicas más usadas es el PCR1.

Sin embargo, se ha comprobado que algunos compuestos orgánicos e inorgánicos pueden interferir en las reacciones propias de la técnica de PCR, por lo cual se están introduciendo algunas variaciones en la técnica original como el uso de membranas de filtración electropositivas, que incrementan el nivel de eficiencia del método al favorecer la concentración de los virus y eliminar los niveles de citotoxicidad de los compuestos orgánicos e inorgánicos que pueden estar presentes en el agua.

El PCR es un método sensible, específico y rápido, y ha sido utilizado para detectar virus que afectan a los seres humanos, enterovirus, adenovirus y virus de la hepatitis A en aguas de río, agua marina y aguas residuales, entre otros tipos de recursos hídricos.

Enteroparásitos

Las aguas superficiales están expuestas a un sinnúmero de factores que posibilitan la contaminación con enteroparásitos. En primer lugar, se presenta la falta de protección de las fuentes de agua. En muchos casos, los cursos de agua se convierten en cuerpos receptores de desagües evacuados de las ciudades, pueblos y caseríos; también reciben efluentes de camales y granjas.

1

PCR son las siglas en inglés de “réplica en cadena de la polimerasa”, una técnica que en el campo de la microbiología ambiental se usa para la identificación de especies.

En las zonas rurales, donde es común que las personas defequen a campo abierto, las escorrentías arrastran las heces de humanos y animales y las incorporan a los cursos de agua. Además, es común observar letrinas mal diseñadas donde los residuos fecales son vertidos a las acequias que, a su vez, desembocan en los cursos de agua. Asimismo, en los ríos, lagos y lagunas habitan innumerables animales silvestres que son reservorios de enteroparásitos.

El problema del enteroparasitismo en los países desarrollados está relacionado principalmente

con

la

transmisión

de

protozoarios

patógenos

como

Giardia y

Cryptosporidium y en los países en vías de desarrollo, la población está parasitada con helmintos o gusanos como Ascaris, Trichuris, Uncinarias, Strongyloides; tenias como T.

Solium, T. Saginata, Hymenolepis nana y protozoarios como Giardia, Cryptosporidium y Entamoeba histolytica, entreotros.

El enteroparasitismo es una dolencia que contribuye a elevar el índice de desnutrición infantil y produce alteraciones en el crecimiento, interferencias con la absorción de nutrientes, cuadros de anemia y de ulceración de la mucosa intestinal, incremento de casos de alergias, pérdida de energía y letargo, lo que disminuye la capacidad de trabajo y la productividad y, en general, produce un deterioro de la calidad de vida en la población.

El mecanismo de transmisión de los enteroparásitos es la ingestión de agua o alimentos contaminados, principalmente de productos agrícolas de consumo crudo. Algunas especies también se transmiten a través de la piel o de persona a persona. La transmisión de las enfermedades enteroparasitarias

depende de factores ambientales, ecológicos y

socioculturales. Se requiere una fuente de infección, la dispersión de los huevos y quistes en el ambiente, la ocurrencia de condiciones ambientales que favorezcan su supervivencia y la presencia de huéspedes susceptibles.

Protozoarios patógenos

Las aguas superficiales están expuestas a la contaminación con quistes de Giardia y

ooquistes de Cryptosporidium y otros protozoarios enteroparásitos como Entamoeba histolytica y Balantidium coli.

Asimismo, en las aguas superficiales pueden estar presentes las amebas patógenas de vida libre, como los géneros Naegleria y Acanthamoeba. Estas amebas se introducen por las vías nasales, al nadar o bucear en aguas dulces, especialmente en acequias estancadas o lagunas ubicadas en zonas de clima cálido o a finales de verano, en manantiales con agua caliente o en grandes masas de agua calentadas por el vertimiento de aguas industriales, o en agua caliente de tinas, pozas de aguas termales y piscinas públicas con deficiente mantenimiento sanitario. Los trofozoítos de Naegleria colonizan las vías nasales y después invaden el cerebro y las meninges. La Acanthamoeba puede llegar al cerebro por vía sanguínea y probablemente utiliza como punto de entrada lesiones en la piel o en la córnea. En personas que usan lentes de contacto blandos, la infección corneal con Acanthamoeba se ha relacionado con la contaminación de la solución salina casera que se usa como agente de limpieza o humedecimiento.

La contaminación de las fuentes de agua de origen superficial por parásitos es un aspecto que está siendo evaluado a escala mundial. Estudios procedentes de países desarrollados indican que la mayoría de aguas superficiales tienen niveles de contaminación parasitaria que deben ser considerados en los procesos de tratamiento y desinfección.

Para lograr la remoción de protozoarios mediante el tratamiento y la desinfección, se debe considerar lo siguiente:

La remoción de partículas mediante coagulación, sedimentación, filtración y desinfección. El tratamiento combinado de coagulación con filtración convencional logra una remoción de 99 a 99,99% de quistes y ooquistes. La filtración es la mejor manera de optimizar el proceso. La filtración rápida no garantiza la remoción de Giardia y Cryptosporidium. Se ha demostrado la presencia de Cryptosporidium en el agua de retrolavado de los filtros, por lo que se considera que es una fuente potencial de contaminación. El ooquiste de Cryptosporidium es 30 veces más resistente al ozono que el quiste de Giardia.

Los quistes de Giardia y los ooquistes de Cryptosporidium son extremadamente resistentes al cloro y demás desinfectantes en las concentraciones que comúnmente se usan en la desinfección del agua. El ozono y el dióxido de cloro son varias veces más efectivos para Giardia y

Cryptosporidium que el cloro libre.

Los reportes mencionan que al menor incremento de la turbiedad en el agua tratada, aumenta el riesgo de transportar partículas con las mismas dimensiones de la Giardia y el

Cryptosporidium. Se observan las siguientes condiciones de riesgo:

Aguas con turbiedad de 0,7 pueden indicar la presencia de quistes. Ideal es una turbiedad de 0,1 UNT. Deficiencias en los filtros. Deficiente control de la coagulación y remoción de sólidos.

Helmintos enteropatógenos

Los helmintos son animales invertebrados, vermiformes, a los que comúnmente se les denomina gusanos. En las aguas superficiales se pueden presentar huevos de dos grupos de helmintos: Nematodos y Platelmintos. En el agua pueden estar presentes otros tipos de helmintos patógenos, pero su transmisión no ocurre a través del agua de bebida.

Figura 4. Adulto de Ascaris lumbricoides.

Fuente: Aurazo, 2004.

Los Nematodos son gusanos redondos, como el Ascaris lumbricoides, y los Platelmintos son acintados, como la Taenia solium.

Ascaris lumbricoides. Es el agente etiológico de la ascariasis. Es un Nematodo que presenta diferenciación sexual: la hembra mide aproximadamente 30 centímetros y el macho 15 centímetros. Tiene los extremos aguzados y es de color rosa nacarado. La hembra puede desovar aproximadamente 200.000 huevos por día.

Los huevos son de color parduzco y los fecundados tienen forma elíptica, miden de 45 a 75 micrómetros de largo y de 35 a 50 micrómetros de ancho. Tienen una cubierta externa gruesa de superficie mamelonada18 y de color café. Los huevos deben madurar en el suelo antes de ser infectivos.

El hombre se infecta con este helminto al ingerir agua y verduras contaminadas con huevos de Ascaris. En el organismo humano cumplen un complicado mecanismo de desarrollo hasta que los adultos se instalan en el intestino delgado. Las infestaciones masivas pueden causar síndrome de mala absorción con alteraciones en la absorción de grasas, proteínas e hidratos de carbono. En otros individuos se presentan cuadros de hipersensibilidad.

Trichuris trichiura. Es el agente etiológico de la tricocefalosis. Es un Nematodo blanquecino que presenta diferenciación sexual. La hembra mide de 35 a 50 milímetros de largo y el macho, de 20 a 25 milímetros. Es delgado en la parte anterior y grueso en la parte posterior. Se ha calculado que cada hembra elimina entre 200 y 300 huevos por gramo de heces.

Figura 5. Adulto de Trichuris trichiura.

Fuente: Aurazo, 2004.

Los huevos son elípticos de color parduzco, miden entre 40 y 50 micrómetros y presentan una gruesa envoltura de doble contorno. En ambos polos tienen tampones mucosos que confieren al huevo un aspecto típico de tonel.

El huevo debe desarrollarse en el ambiente para ser infectivo, presenta una gran resistencia a las condiciones adversas del ambiente y puede conservar su viabilidad durante años.

El daño de la tricocefalosis es directamente proporcional al número de especímenes presentes en el intestino. La tricocefalosis masiva puede producir anemia e interfiere en la absorción intestinal.

El único huésped es el hombre, quien se infecta al ingerir agua y alimentos contaminados con huevos de Trichuris trichiura.

Taenia solium. La Taenia solium produce la teniasis y la cisticercosis. El cerdo es el huésped definitivo habitual. Es un Cestodo. El espécimen adulto mide de 3 a 5 metros de longitud, presenta un escólex armado con una corona de ganchos con los cuales se fija al intestino. El hombre se infecta al ingerir carne de cerdo mal cocida, pero también puede contaminarse con la ingestión de huevos de Taenia solium y adquirir la enfermedad llamada cisticercosis. Es esta forma la que puede ser transmitida por el agua de bebida.

El hombre puede adquirir la cisticercosis por la ingestión de huevos de Taenia en el agua o en los alimentos. Los huevos miden entre 30 y 40 micrómetros de diámetro, son esféricos, de paredes gruesas y radiadas y en su interior encierran un embrión provisto de seis ganchos, llamado embrión hexacanto. Esta es la forma infectiva para el huésped intermediario.

Figura 6. Escólex de Taenia solium.

Fuente: Aurazo, 2004.

Cyanobacterias (algas azul-verdes)

Las afloraciones de Cyanobacterias son muy comunes en los lagos y reservorios que sirven de fuente de agua. Estas bacterias son capaces de producir dos tipos

de

toxinas

microcystinas

Microcystis,

o

ampliamente hepatotoxinas,

Oscillatoria

y

conocidas,

las

producidas

por

Anabaena,

y

las

neurotoxinas producidas por Anabaena, Oscillatoria,

Nostoc y Cylindrospermum. Las toxinas pueden producir gastroenteritis en la población y las hepatotoxinas pueden ocasionar muerte por shock.

Las microcystinas son solubles en agua. Se han aislado aproximadamente 60 variedades de microcystinas en afloramientos y cultivos de Cyanobacterias, y se ha observado que con un pH neutro, la microcystina es estable y se pueden presentar remanentes después del hervido.

El excesivo crecimiento de las Cyanobacterias es producido frecuentemente por el deterioro de la calidad de las aguas. A menudo este deterioro se origina en las actividades antropogénicas y por el enriquecimiento de nutrientes de origen natural. Las toxinas, además de causar efectos adversos para la salud de los seres humanos y de los animales terrestres, pueden causar efectos crónicos y agudos en la fauna acuática.

Hay un número no confirmado de reportes sobre problemas de salud causados por toxinas algales y relacionados con el agua de bebida. Estudios epidemiológicos y de casos aislados de gastroenteritis y hepatitis relacionados con Cyanobacterias han sido reportados en Norteamérica, África, Australia y América del Sur.

En 1996 en Caruaro, Brasil, un grupo de pacientes en hemodiálisis experimentó una hepatitis severa después del tratamiento; más de 100 individuos presentaron un cuadro hepático grave y 50 de ellos murieron. Se efectuó una investigación y se demostró que había insuficiencias en la remoción de las microcystinas en el tratamiento del agua utilizada para la hemodiálisis.

Algunos investigadores sugieren que la exposición crónica a través del agua de bebida a las microcystinas puede inducir al crecimiento de tumores o carcinogénesis. La

Organización Mundial de la Salud propone 1.000 ng/L como valor guía para las microcystinas en el agua de consumo humano.

La adición de un pretratamiento químico con sulfato de cobre o permanganato de potasio reduce las microcystinas en un promedio de 61%. La coagulación con aluminio seguida de una sedimentación reduce un promedio de 96%. También se ha obtenido una buena remoción de toxinas con carbón activado.

El uso de alguicidas debe efectuarse con criterio técnico, debido a que, como su nombre lo dice, ocasionan la muerte masiva de algas y es posible que su uso inadecuado conduzca a la producción de olores desagradables y a una alteración del sabor del agua en los reservorios.

INDICADORES MICROBIOLÓGICOS DE LA CALIDAD DEL AGUA

La

gran

variedad

de

microorganismos

patógenos que pueden encontrarse en una muestra de agua, así como la complejidad de la mayor parte de las técnicas de enriquecimiento y aislamiento e identificación, hacen inviable el control

rutinario

de

todos

estos

microorganismos. Por esta razón se hizo necesario elegir microorganismos indicadores, que deben cumplir con los siguientes requisitos básicos: Ser fáciles de cultivar en el laboratorio. Ser relativamente inocuos para el hombre y los animales. Su concentración debe tener relación con la cantidad de microorganismos patógenos presentes en el agua.

La evaluación de la calidad microbiológica del agua de abastecimiento humano se efectúa mediante la determinación de indicadores. Los que comúnmente se utilizan son los coliformes totales, los coliformes termotolerantes (fecales), la Escherichia coli y las bacterias heterotróficas mesófilas aerobias viables.

Se han efectuado interesantes estudios con el objeto de conocer la relación que existe entre la presencia de determinados indicadores de contaminación en el agua de bebida y la prevalencia de enfermedades diarreicas.

En los países en vías de desarrollo en los cuales la calidad del agua es de buena a regular —es decir, agua con ausencia o escaso número de Escherichia coli— y donde se presenta una

alta

tasa

de

enfermedades

diarreicas

producidas

por

microorganismos

hidrotransmisibles, hay otros mecanismos que cumplen un rol importante en la transmisión de dichas enfermedades. Entre estos mecanismos están las condiciones de almacenamiento del agua y la forma de preparar y almacenar los alimentos que han estado en contacto con el agua contaminada. Estos factores favorecen la multiplicación de algunas bacterias patógenas procedentes del agua contaminada y la producción de toxinas, lo cual incrementa la tasa de enfermedades diarreicas.

Grupo coliforme

Los coliformes son bacterias que habitan en el intestino de los mamíferos y también se presentan como saprófitos en el ambiente, excepto la Escherichia, que tiene origen intestinal. Los coliformes tienen todas las características requeridas para ser un buen indicador de contaminación. Este grupo de microorganismos pertenece a la familia de las enterobacteriáceas.

Se caracterizan por su capacidad de fermentar la lactosa a 35-37 °C en un lapso de 24-48 horas y producir ácido y gas. Los siguientes géneros conforman el grupo coliforme:

Klebsiella Escherichia Enterobacter Citrobacter Serratia

De este grupo, la Escherichia y ocasionalmente la Klebsiella tienen la capacidad de fermentar la lactosa no sólo a las temperaturas indicadas, sino también a 44,5 °C. A los miembros de este grupo se les denomina coliformes termotolerantes (fecales).

Coliformes totales Los coliformes totales se caracterizan por su capacidad de fermentar la lactosa a 35-37 °C en 24-48 horas y producir ácido y gas. Tienen la enzima cromogénica B galactosidasa, que actúa sobre el nutriente indicador ONPG (Orto-nitrofenil--d-galactopiranosido). Este nutriente sirve como fuente de carbono y su efecto consiste en un cambio de color en el medio de cultivo. La reacción se detecta por medio de la técnica de sustrato definido. Las técnicas de análisis más conocidas son la prueba de tubos múltiples y la de filtración con membrana.

Los coliformes totales se reproducen en el ambiente, proporcionan información sobre el proceso de tratamiento y acerca de la calidad sanitaria del agua que ingresa al sistema y de la que circula en el sistema de distribución. No constituyen un indicador de contaminación fecal.

Coliformes termotolerantes (fecales)

Se sabe que la contaminación fecal del agua está relacionada con la transmisión de agentes patógenos por el agua. Por este motivo, se requieren métodos sensibles que permitan medir el grado de contaminación fecal. Se denomina coliformes termotolerantes a ciertos miembros del grupo de bacterias coliformes totales que están estrechamente relacionados con la contaminación fecal. Por este motivo, antes recibían la denominación de coliformes fecales; estos coliformes generalmente no se multiplican en los ambientes acuáticos.

Los coliformes termotolerantes crecen a una temperatura de incubación de 44,5 °C. Esta temperatura inhibe el crecimiento de los coliformes no tolerantes. Se

miden por pruebas sencillas, de bajo costo y ampliamente usadas en los programas de vigilancia de la calidad del agua. Las técnicas de análisis más conocidas son la prueba de tubos múltiples y la de filtración con membrana; actualmente el mercado ofrece otras técnicas más avanzadas, pero el empleo de las técnicas tradicionales está aprobado por los estándares internacionales.

Figura 7. Técnica de filtración con membrana para la determinación de

Coliformes fecales.

Fuente: Aurazo, 2004.

Escherichia coli. Es el principal indicador bacteriano en el agua. Diversos estudios han demostrado que la E. coli está presente en las heces de los seres humanos y los animales de sangre caliente entre 108 y 109 por gramo de heces. No se multiplican en forma apreciable en el ambiente.

La E. coli fermenta la lactosa y produce ácido y gas. Tiene la enzima cromogénica B glucuronidasa, que actúa sobre el nutriente indicador MUG (4-metil-umbeliferil -dglucoronico).

Este nutriente sirve como fuente de carbono y su efecto se visualiza por la fluorescencia en el medio de cultivo. La reacción se detecta mediante la técnica de sustrato definido.

Con esta última técnica, es posible analizar E. coli directamente del agua. Su importancia como organismo indicador de contaminación fecal está adquiriendo más fuerza.

Recuento en placa de bacterias heterotróficas mesófilas viables. El recuento en placa de bacterias heterotróficas detecta una amplia variedad de microorganismos, principalmente bacterias que son indicadoras de la calidad microbiológica general del agua.

Se ha comprobado que el conteo total es uno de los indicadores más confiables y sensibles del tratamiento o del fracaso de la desinfección. Para su determinación, se emplea una prueba sencilla y de bajo costo. Los métodos son vertidos en placa, difusión en superficie y filtración con membrana. Se emplea un medio de cultivo rico en nutrientes, como el extracto de levadura. La incubación se realiza durante 48 horas a 35 °C. Figura 8. Técnica del número más probable por tubos múltiples para la determinación de Coliformes fecales

Fuente: Aurazo, 2004. Como se puede apreciar, la evaluación de la calidad microbiológica está basada en la determinación de indicadores bacterianos: coliformes totales y coliformes termotolerantes, los cuales son removidos con mayor facilidad que los quistes de protozoarios. Esto quiere decir que la ausencia de coliformes no indica en forma absoluta la ausencia de quistes. Ante un brote epidémico de enteroparásitos, no bastaría la determinación de coliformes, sobre todo cuando el agua es de origen superficial y ha sido sometida únicamente a la desinfección.

SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

Las diversas actividades agrícolas, ganaderas, industriales y recreacionales del ser humano han traído como consecuencia la contaminación de las aguas superficiales con sustancias químicas y microbiológicas, además del deterioro de sus características estéticas.

Para hacer frente a este problema, es necesario someter al agua a una serie de operaciones o procesos unitarios, a fin de purificarla o potabilizarla para que pueda ser consumida por los seres humanos.

Una operación unitaria es un proceso químico, físico o biológico mediante el cual las sustancias objetables que contiene el agua son removidas o transformadas en sustancias inocuas.

La mayor parte de los procesos originan cambios en la concentración o en el estado de una sustancia, la cual es desplazada o incorporada en la masa de agua. Este fenómeno recibe el nombre de transferencia de fase. Son ejemplos de ello la introducción de oxígeno al agua (transferencia de la fase gaseosa a la líquida) y la liberación de anhídrido carbónico contenido en el agua (transferencia de la fase líquida a la gaseosa) mediante el proceso de aereación

El objetivo de estos tratamientos es, en general, reducir la carga de contaminantes del vertido y convertirlo en inocuo para el medio ambiente. Para cumplir estos fines se usan distintos tipos de tratamiento dependiendo de los contaminantes que arrastre el agua y de otros factores más generales, como localización de la planta depuradora, clima, ecosistemas afectados, etc .

La Depuración de las Aguas Residuales Existen distintos tipos de tratamiento de las aguas residuales para lograr remover los contaminantes. Se pueden usar desde sencillos procesos físicos como la sedimentación, en la que se deja que los contaminantes se depositen en el fondo por gravedad, hasta complicados procesos químicos, biológicos o térmicos. Ellos se

pueden clasificar según el medio de eliminación de los contaminantes, según la fase de depuración y según el costo de la explotación.

SEGÚN EL MEDIO DE ELIMINACIÓN DE LOS CONTAMINANTES

Físicos Químicos Clasificación de los sistemas de tratamiento

Biológicos

A.) Físicos: Son aquellos en los cuales predomina la aplicación de fuerzas físicas, en la eliminación de los contaminantes.

Desbaste (por rejas, tamices) Desengrasado Sedimentación. Flotación.- Natural o provocada con aire. Filtración.- Con arena, carbón, cerámicas, etc. Evaporación. Adsorción.- Con carbón activo, zeolitas, etc. Desorción (Stripping). Se transfiere el contaminante al aire (ej. amoniaco). Extracción.- Con líquido disolvente que no se mezcla con el agua. B.) Químicos: Son aquellos en los cuales la eliminación de los contaminantes es dada por la adición de un producto químico o por otras reacciones químicas.

Coagulación-floculación.- Agregación de pequeñas partículas usando coagulantes y floculantes (sales de hierro, aluminio, polielectrolitos, etc.) Precipitación química.- Eliminación de metales pesados haciéndolos insolubles con la adición de lechada de cal, hidróxido sódico u otros que suben el pH. Oxidación-reducción.- Con oxidantes como el peróxido de hidrógeno, ozono, cloro, permanganato potásico o reductores como el sulfito sódico. Reducción

electrolítica.-

Provocando

la

deposición

en

el

electrodo

del

contaminante. Se usa para recuperar elementos valiosos. Intercambio iónico.- Con resinas que intercambian iones. Se usa para quitar dureza al agua. Osmosis inversa.- Haciendo pasar al agua a través de membranas semipermeables que retienen los contaminantes disueltos.

C.) Biológicos: Son los métodos de tratamiento en los cuales la eliminación de contaminantes es provocada por una actividad biológica.

Lodos activos.- Se añade agua con microorganismos a las aguas residuales en condiciones aerobias (burbujeo de aire o agitación de las aguas). Filtros bacterianos.- Los microorganismos están fijos en un soporte sobre el que fluyen las aguas a depurar. Se introduce oxígeno suficiente para asegurar que el proceso es aerobio. Biodiscos.- Intermedio entre los dos anteriores. Grandes discos dentro de una mezcla de agua residual con microorganismos facilitan la fijación y el trabajo de los microorganismos. Lagunas aireadas.- Se realiza el proceso biológico en lagunas de grandes extensiones. Sistemas de aplicación al suelo. Degradación anaerobia.- Procesos con microorganismos que no necesitan oxígeno para su metabolismo.

Según la Fase de Depuración

Las aguas residuales se pueden someter a diferentes niveles de tratamiento, dependiendo del grado de purificación que se quiera. Es tradicional hablar de tratamiento primario, secundario, etc, aunque muchas veces la separación entre ellos no es totalmente clara. Así se pueden distinguir:

A.) Tratamiento preliminar. El

tratamiento

preliminar

está

destinado

a

preparar las aguas residuales para que puedan recibir un tratamiento posterior evitando que se presenten obstrucción de tuberías, presencia de sólidos flotantes, fluctuación de caudal, etc.

Las unidades de tratamiento preliminar más utilizadas son las rejas, los desmenuzadores, los desengrasadores, los tanques de compensación y los desarenadores. De éstas, las más utilizadas son las rejas y en algunos casos de acuerdo a las características del agua, los desarenadores. Las demás unidades son más frecuentes para líquidos industriales.

Las rejas son dispositivos constituidos por barras metálicas paralelas e igualmente espaciadas, la más utilizada es la reja sencilla de limpieza manual con espaciamiento libre entre barras de 2 hasta 4 cm.

Los desarenadores son unidades destinadas a retener arena y otros minerales inertes y pesados como carbón, tierra, arena con diámetros mínimos de 0.2 mm, los tanques pueden tener un ancho de 20 a 100 cm y una longitud variable de 6 a 18 metros.

Tabla 1. Comparación de las diferentes tecnologías utilizadas en el tratamiento preliminar

Fuente: Min Ambiente. Colombia. 2002 B.) Tratamiento Primario.

El tratamiento primario es el proceso de tratamiento del agua residual consistente en la eliminación de los sólidos suspendidos contenidos en ellas por cualquier método.

Tabla 2. Comparación de las diferentes tecnologías utilizadas en el tratamiento primario

Fuente: Min. Ambiente. Colombia. 2002 C.) Tratamiento Secundario. Consiste en tratar el agua con el fin de transformar los compuestos que están en forma de sólidos disueltos y coloidales en compuestos estables, por medio de tratamientos físicoquímicos como la coagulación (consiste en la desestabilización de los coloides, utilizando como coagulantes sales de hierro o aluminio, sulfato de aluminio y cloruro férrico), floculación (consiste en la aglomeración de los coloides y para ello se utilizan sílice activada y polímeros orgánicos), decantación, flotación, filtración, separación por membranas, adsorción e intercambio de iones, tratamientos químicos (precipitación, neutralización y óxido-reducción) y tratamientos biológicos (lodos activados, filtros percoladores, tanques Imhoff, lagunas de oxidación, biodiscos, zanjas de oxidación, filtros de arena, zanjas filtrantes). Tabla 3. Comparación de las diferentes tecnologías utilizadas en el tratamiento secundario

D.) Tratamiento terciario.

Fuente: Min. Medio ambiente 2002

Es el último paso del tratamiento del agua residual con el fín de pulir el efluente del tratamiento secundario, eliminando elementos como el N, P, K, Ca y otros.

D.) Tratamiento terciario.

Es el último paso del tratamiento del agua residual con el fín de pulir el efluente del tratamiento secundario, eliminando elementos como el N, P, K, Ca y otros.

Según el Costo de la Explotación

Los sistemas de tratamiento se pueden clasificar en:

A.) Tecnologías de bajo costo. Métodos blandos.

La base de estos sistemas es la reproducción de los fenómenos de depuración naturales con vistas a una mayor facilidad de manejo y por lo tanto a lograr unos menores costos de mantenimiento.

Sus características están basadas en:

Facilidad de operación y mantenimiento. No necesidad de personal especializado. Grandes tiempos de respuesta. Uso de equipamento sencillo. Bajo costos energéticos. Buena integración en el medio rural. Rendimientos buenos – aceptables. Muy aptos en reutilización agrícola.

B.) Métodos convencionales

Son los métodos tradicionales de depuración cuya base de funcionamiento son también los procesos naturales de depuración pero bajo una concepción distinta.

Sus características están basadas en: Sistemas intensivos. Necesidad de control preciso. Mano de obra especializada. Altos costos de explotación. Baja integración al medio rural. Buenos resultados en depuración. Poco flexibles a cambios en condiciones de partida.

Un sistema convencional de depuración de aguas residuales consta de las siguientes operaciones:

Llegada del efluente: canal de llegada y recogida de las aguas residuales a la estación depuradora. Pretratamiento: consiste en una sucesión de etapas físicas y mecánicas destinadas a separar las aguas de las materias voluminosas en suspensión; después de esta fase sólo permanecen las partículas con un diámetro inferior a 200 mm. También tiene lugar la separación de grasas. Decantación primaria: Puede ser por decantación simple o bien por tratamiento fisicoquímico. Afecta a las partículas de diámetro superior a 100 mm. Las materias decantadas obtenidas por separación del efluente constituyen los lodos primarios. También se lleva a cabo la eliminación de la polución coloidal y del fósforo. Tratamiento biológico: Consiste básicamente en una degradación de los compuestos orgánicos presentes en el efluente por microorganismos que se alimentan de la contaminación orgánica disuelta (lodos activados). Dispositivos de aireación permiten a las bacterias aerobias utilizadas incrementar su metabolismo y, en consecuencia, su acción. Decantación secundaria: Una nueva etapa de decantación permite la separación de los lodos secundarios formados antes de obtener el agua depurada (filtrada y posteriormente desinfectada). Tratamiento de lodos: El tratamiento de lodos es una instalación fundamental de la estación depuradora. Su objetivo es reducir la masa orgánica y el volumen de los lodos primarios y secundarios recogidos tras las dos etapas de decantación. Comprende dos fases: en primer lugar se procede a reducir la masa orgánica mediante estabilización por digestión aerobia o anaerobia, pasteurización y estabilización química; a continuación se reduce el volumen de los lodos: por prensado, por deshidratación, por secado térmico o por incineración.

Tabla 4. Eficiencia de la remoción de contaminantes en las diferentes unidades de tratamiento

(1) Desp. = despreciable Fuente: Min. Ambiente 2002

Principales Operaciones Unitarias Empleadas en el Tratamiento del Agua Los principales procesos de transferencia utilizados en el tratamiento del agua para consumo humano son los siguientes: Transferencia de sólidos. Transferencia de iones. Transferencia de gases. Transferencia molecular.

Transferencia de Sólidos

Se consideran en esta clasificación los procesos de cribado, sedimentación, flotación y filtración.

Cribado o cernido Consiste en hacer pasar el agua a través de rejas o tamices, los cuales retienen los sólidos de tamaño mayor a la separación de las barras, como ramas, palos y toda clase de residuos sólidos. También está considerado en esta clasificación el microcernido, que consiste básicamente en triturar las algas reduciendo su tamaño para que puedan ser removidas mediante sedimentación.

Sedimentación Consiste en promover condiciones de reposo en el agua, para remover, mediante la fuerza gravitacional, las partículas en suspensión más densas.

Este

proceso

desarenadores, sedimentadores

se

realiza

en

los

presedimentadores, y

decantadores;

en

estos

últimos, con el auxilio de la coagulación. Flotación

El

objetivo

de

este

proceso

es

promover

condiciones de reposo, para que los sólidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado. Para mejorar la eficiencia del proceso, se emplean agentes de flotación. Mediante este proceso

se

remueven

especialmente

grasas,

aceites, turbiedad y color. Los agentes de flotación empleados son sustancias espumantes y microburbujas de aire.

Filtración

Consiste en hacer pasar el agua a través de un medio poroso, normalmente de arena, en el cual actúan una serie de mecanismos de remoción cuya eficiencia depende de las características de la

suspensión (agua más partículas) y del medio poroso.

Este proceso se utiliza como único tratamiento cuando las aguas son muy claras o como proceso final de pulimento en el caso de aguas turbias.

Los medios porosos utilizados además de la arena —que es el más común — son la antracita, el granate, la magnetita, el carbón activado, la cáscara de arroz, la cáscara de coco quemada y molida y también el pelo de coco en el caso de los filtros rápidos. En los filtros lentos lo más efectivo es usar exclusivamente arena; no es recomendable el uso de materiales putrescibles.

Transferencia de iones

La transferencia de iones se efectúa mediante procesos de coagulación, precipitación química, absorción e intercambio iónico.

Coagulación química La coagulación química consiste en adicionar al agua una sustancia que tiene propiedades coagulantes, la cual transfiere sus iones a la sustancia que se desea remover, lo que neutraliza la carga eléctrica de los coloides para favorecer la formación de flóculos de mayor tamaño y peso.

Los coagulantes más efectivos son las sales trivalentes de aluminio y hierro. Las condiciones de pH y alcalinidad del agua influyen en la eficiencia de la coagulación. Este proceso se utiliza principalmente para remover la turbiedad y el color.

Precipitación química

La precipitación química consiste en adicionar al agua una sustancia química soluble cuyos iones reaccionan con los de la sustancia que se desea remover, formando un precipitado. Tal es el caso de la remoción de hierro y de dureza carbonatada

(ablandamiento),

mediante

la

adición de cal. Intercambio iónico

Como su nombre lo indica, este proceso consiste en un intercambio de iones entre la sustancia que desea remover y un medio sólido a través del cual se hace pasar el flujo de agua. Este es el caso del ablandamiento del agua mediante resinas, en el cual se realiza un intercambio de iones de cal y magnesio por iones de sodio, al pasar el agua a través de un medio poroso constituido por zeolitas de sodio. Cuando la resina se satura de iones de calcio y magnesio, se regenera introduciéndola en un recipiente con una solución saturada de sal.

Absorción

La absorción consiste en la remoción de iones y moléculas

presentes

en

la

solución,

concentrándolos en la superficie de un medio adsorbente, mediante la acción de las fuerzas de interfaz. Este proceso se aplica en la remoción de olores y sabores, mediante la aplicación de carbón activado en polvo.

Transferencia de gases

Consiste en cambiar la concentración de un gas que se encuentra incorporado en el agua mediante procesos de aereación, desinfección y recarbonatación.

Aereación

La aereación se efectúa mediante caídas de agua en

escaleras,

cascadas,

chorros

y

también

aplicando el gas a la masa de agua mediante aspersión o burbujeo. Se usa en la remoción de hierro y manganeso, así como también de anhídrido carbónico, ácido sulfhídrico y sustancias volátiles, para controlar la corrosión y olores.

Desinfección

Consiste en la aplicación principalmente de gas cloro y ozono al agua tratada.

Recarbonatación

Consiste en la aplicación de anhídrido carbónico para bajar el pH del agua, normalmente después del ablandamiento.

Transferencia Molecular

En el proceso de purificación natural del agua. Las bacterias saprofitas degradan la materia orgánica y transforman sustancias complejas en material celular vivo o en sustancias más simples y estables, incluidos los gases de descomposición. También los organismos fotosintéticos convierten sustancias inorgánicas simples en material celular, utilizando la luz solar y el anhídrido carbónico producto de la actividad de las bacterias y, a la vez, generan el oxígeno necesario para la supervivencia de los microorganismos aeróbicos presentes en el agua.

Este tipo de transferencia se lleva a cabo en la filtración, en la cual los mecanismos de remoción más eficientes se deben a la actividad de los microorganismos.

Otros procesos Utilizados

Además de los procesos de transferencia expuestos, también se utilizan en el tratamiento del agua para consumo humano la estabilización de solutos, la desalinización y la fluoruración.

Estabilización de solutos

La estabilización de solutos consiste en transformar un soluto objetable en una forma inocua, sin llegar a su remoción. Son ejemplos de este proceso la transformación del anhídrido carbónico contenido en el agua en bicarbonato soluble mediante la adición de cal o el pasar el agua a través de lechos de mármol. También se puede citar la transformación de ácido sulfhídrico en sulfato.

Desalinización

Proceso mediante el cual se remueve el exceso de cloruros en el agua, transformando las aguas salobres en dulces. Este proceso se puede realizar mediante destilación, ósmosis inversa, etcétera.

Fluoruración

Adición de fluoruros al agua para evitar las caries dentales, principalmente en los niños menores de 5 años.

Tratamiento Biológico en la Depuración de las Aguas Residuales El agua es indispensable para la vida en la tierra y también lo es para el desarrollo industrial y agrícola de las sociedades humanas. Desde que el hombre existe ha procurado aumentar sus recursos de agua y se ha preocupado por hacer inofensivas para la salud las aguas usadas. El tratamiento de estas se hacía en forma natural utilizando la capacidad de autodepuración de los cursos de agua o del suelo.

La autodepuración consiste en fenómenos físico-químicos y biológicos. Todos los sistemas actuales de depuración del agua, incluso los más perfeccionados, no son más que la transposición y la intensificación de esta doble acción depuradora de la que la naturaleza nos ofrece el modelo.

La depuración biológica de las aguas residuales se basa en la capacidad de los microorganismos, que viven en el agua, de alimentarse de los compuestos orgánicos más variados, componentes principales de la contaminación del agua. Gracias a los progresos de la biotecnología ya se empiezan a desarrollar sistemas de depuración confiables y económicos. Incluso se llega a biodegradar compuestos minerales como los fosfatos de los detergentes y los nitratos de los fertilizantes o incluso aprovechar algunos contaminantes utilizando microorganismos que los transforman en productos útiles para el hombre.

Los progresos recientes en los conocimientos de la bioquímica bacteriana han logrado modificar enormemente las técnicas de depuración y han permitido

emplear microorganismos anaeróbicos, los cuales se han utilizado con éxito durante los últimos años en su aplicación a residuos, debido a sus ventajas respecto al tratamiento aeróbico tanto en economía y facilidad de aplicación como por la obtención de un producto de gran valor energético como el metano Estos

sistemas

son cada

vez

más

utilizados

para

tratar

los

efluentes

biodegradables en más del 90%, pero muy concentrados, procedentes de la agroindustria.

En

el

tratamiento

anaeróbico

de

estas

aguas

intervienen

muchos

tipos

de

microorganismos, a diferencia de la mayoría de biotecnologías, esto no debe sorprender puesto que las materias primas utilizadas en el proceso son, de ordinario, mezclas complejas de materiales y es improbable que una sola especie pueda degradar toda la gama de compuestos distintos. De modo que en estos sistemas se presenta una compleja interacción entre muchos tipos de microorganismos en la que cada uno desempeña un importante papel.

La investigación y el desarrollo de sistemas biológicos para el tratamiento y/o aprovechamiento de residuos orgánicos resulta importante para nuestro país, dada la necesidad de conservar el medio ambiente, el cual se constituye en un patrimonio común y por la conveniencia de detener la creciente degradación ambiental de las zonas rurales cafeteras, originada por la contaminación de los cursos superficiales de agua, a raíz de la disposición inadecuada de las aguas negras y las aguas residuales del proceso de beneficio húmedo del café.

El proceso aerobio para la depuración de aguas residuales

En el tratamiento aeróbico de las aguas residuales se incrementa fuertemente el aporte de oxígeno por riego de superficies sólidas, por agitación o agitación y aireación sumergida simultáneas.

El

crecimiento

de

los

microorganismos

y

su

actividad

degradativa

crecen

proporcionalmente a la tasa de aireación. Las sustancias orgánicas e inorgánicas acompañantes productoras de enturbiamiento son el punto de partida para el desarrollo de colonias mixtas de bacterias y hongos de las aguas residuales, los flóculos que, con una intensidad de agitación decreciente, pueden alcanzar un diámetro de unos mm dividiéndose o hundiéndose después.

La formación de flóculos se ve posibilitada por sustancias mucilaginosas extracelulares y también por las microfibrillas de la pared bacteriana que unen las bacterias unas con otras. El 40 – 50% de las sustancias orgánicas disueltas se incorporan a la biomasa bacteriana y el 50 – 60% de las mismas se degrada.

La acción degradativa o depuradora de los microorganismos en un proceso se mide por el porcentaje de disminución de la DBO en las aguas residuales tratadas. Dicha disminución depende de la capacidad de aireación del proceso, del tipo de residuos y de la carga de contaminantes de las aguas residuales y se expresa asi mismo en unidades de DBO.

El número de bacterias de los fangos activados asciende a muchos miles de millones por ml, entre ellas aparece regularmente la bacteria mucilaginosa Zooglea ramigera, que forma grandes colonias con numerosas células encerradas en una gruesa cubierta

mucilaginosa común, las células individuales libres se mueven con ayuda de flagelos polares.

Entre las bacterias de los flóculos predominan las representantes de géneros con metabolismo aerobio-oxidativo como Zooglea, Pseudomonas, Alcaligenes, Arthrobacter,

Corynebacterium, Acinetobacter, Micrococcus y Flavobacterium. Pero también se presentan bacterias anaerobias facultativas, que son fermentativas en ausencia de sustratos oxigenados, de los géneros Aeromonas, Enterobacter, Escherichia, Streptococcus y distintas especies de Bacillus. Todas las bacterias contribuyen con las cápsulas de mucílago y con las microfibrillas al crecimiento colonial y a la formación de los flóculos.

En las aguas residuales con una composición heterogénea, la microflora se reparte equitativamente entre muchos grupos bacterianos. En la selección de bacterias y en la circulación y formación de flóculos juegan un importante papel los numerosos protozoos existentes, la mayoría de ellos ciliados coloniales y pedunculados de los géneros Vorticela,

Epystilis y Carchesium, aunque también puedan nadar libremente como los Colpidium que aparecen a la par de ellos, alimentándose de las bacterias de vida libre que se encuentran tanto sobre la superficie como fuera de las colonias. Su función es esencial en la consecución de unas aguas claras y bien depuradas.

La salida de los fangos activados sintéticos libres de ciliados se ve contaminada y enturbiada por la presencia de bacterias aisladas. Se realiza una inoculación de ciliados que crecen rápidamente, favoreciendo con su actividad depredadora el crecimiento y la circulación de las bacterias de los fangos, con lo que posibilitan un efluente mas limpio. Además en los fangos activados aparecen regularmente hongos edáficos y levaduras, siendo las más frecuentes las especies de Geotrichum, Trichosporum, Penicillium,

Cladosporium, Alternaria, Candida y Cephalosporium.

Tras la depuración biológica, las aguas residuales contienen compuestos orgánicos, fosfatos y nitratos disueltos que sólo se degradarán ya lentamente. Los nitratos se forman por oxidación del amonio desprendido en la degradación de compuestos orgánicos nitrogenados. Esta es una tarea de las bacterias nitrificantes, uno de cuyos grupos está reprensado en las aguas residuales principalmente por Nitrosomonas y Nitrosospira, que únicamente llevan a cabo la reacción de oxidación del amonio a nitrito para obtener energía metabólica, mientras que un segundo grupo de bacterias, que aparece siempre junto al ya citado y que esta reprensado por Nitrobacter, oxida el nitrito a nitrato y obtiene energía gracias exclusivamente a este proceso:

Otros microorganismos que también intervienen en el tratamiento aerobio de aguas residuales son: Citrobacter, Serratia, mohos y levaduras que actúan más de componentes acompañantes que de degradantes y algunas algas como Anabaena y Clorella.

El proceso anaerobio para la depuración de aguas residuales

Las bacterias metanogénicas cumplen un importante papel en la digestión anaeróbica pues son las encargadas de la etapa final del proceso, en donde la materia orgánica presente en el sustrato es convertida en CO2 y CH4, pero su baja velocidad de crecimiento hace que sean necesarios largos períodos de tiempo y se deba tener una especial atención para el primer arranque del reactor.

Dentro de las bacterias anaeróbicas, las fermentativas se reproducen entre 10 y 60 veces más rápido que las bacterias metanogénicas. La baja tasa de crecimiento de las bacterias metanogénicas, en especial las metanogénicas acetoclásticas, es el factor que contribuye de una forma más importante a los largos tiempos de arranque. El tiempo de duplicación para las bacterias metanogénicas acetoclásticas es de 7 días, en condiciones óptimas a 36°C.

Figura 1. Representación esquemática de la transformación bacteriana en la digestión anaerobia

El éxito del primer arranque, de cualquier tratamiento anaeróbico, depende casi en su totalidad de un crecimiento adecuado de las bacterias metanogénicas y de que el material celular metanogénico generado sea retenido en el reactor como lodo bacterial.

Los organismos vivos en la tierra requieren de 30 a 40 elementos químicos para su desarrollo normal. Los más importantes son: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo. Como existe una cantidad finita de ellos, su continua disponibilidad depende de ciclos que permitan el uso repetido de dichos elementos, es decir, es necesario recircularlos. El mecanismo general por el cual en los ecosistemas de nuestro

planeta se recirculan los elementos, es a través de la relación existente entre el flujo energético, el ciclo del agua y los ciclos biogeoquímicos.

El ciclo de vida bacterial toma dos caminos: la célula se divide y reproduce a sí misma o continúa su función hasta que muere. En su mayoría las bacterias se reproducen por fisión binaria, esto es, cada célula original se divide en dos nuevas células u organismos. El patrón de crecimiento de las bacterias presentes en un volumen fijo de medio de cultivo tiene cuatro diferentes fases:

1. Fase de adaptación: Es el tiempo que toman las bacterias para aclimatarse a su nuevo ambiente, a partir de la adición de estas al medio de cultivo, es un período de ajuste a las nuevas condiciones encontradas por la simiente inoculada.

2. Fase de crecimiento exponencial: Durante este período las células se dividen a una rata determinada por su propio tipo, tiempo y capacidad para procesar el alimento.

3. Fase estacionaria: La población se mantiene estacionaria. Las razones para este fenómeno son: que las células han agotado los nutrientes necesarios para su crecimiento, o que, el crecimiento de las nuevas células está equilibrado con la mortalidad de las células viejas.

4. Fase de extinción: Durante esta fase la rata de mortalidad de las bacterias supera la de producción de nuevas células. La rata de mortalidad es normalmente una función de las características del medio ambiente y de la población aceptable por el medio. Si el alimento se agota, todas las bacterias regresan a sus sistemas de respiración y digestión endógenos. Luego que la célula muere, su material orgánico se convierte en fuente de alimento para otras bacterias o formas de vida más desarrolladas.

Es evidente pues, que sólo asegurando un rápido crecimiento de la población bacteriana anaeróbica puede lograrse la máxima producción de gas, y ello requiere, en primer lugar, la presencia de macro y micronutrientes en la proporción adecuada. Por ello la relación C/N es un índice altamente significativo en lo que se refiere a la digestibilidad y al rendimiento potencial de un determinado material orgánico. Su valor óptimo está comprendido entre 25 y 30.

Los procesos biológicos utilizados en la depuración de aguas residuales como el sistema de tratamiento anaeróbico, tienen su fundamento en la densidad de la población microbial o biomasa, cuyo crecimiento depende de la existencia en el medio, de ciertos elementos, indispensables para la síntesis celular, por lo tanto cualquier proceso de tratamiento biológico, necesita nutrientes y estos deben ser suministrados según el grado de actividad microbial deseado.

Si bien se conocen microorganismos que precisan para su desarrollo de sustancias orgánicas tales como vitaminas, ácidos grasos, aminoácidos que son suministrados por otros, por regla general las bacterias tienen requerimientos nutritivos simples. En el caso concreto de las bacterias responsables de la fermentación anaeróbica estos requerimientos son además del carbono y el nitrógeno, el fósforo cuyas necesidades se cifran en 1/5 de las de nitrógeno, y una serie de elementos minerales como el S, K, Na, Ca, Mg, Fe, requeridos sólo en muy pequeñas cantidades para un crecimiento celular óptimo y normalmente presente en los residuos destinados a este tipo de fermentación.

El éxito de los sistemas anaeróbicos radica en el hecho de que proporcionen las condiciones para que las tasas de remoción del sustrato en el reactor se hagan comparables con los de los procesos aeróbicos.

Para lograr esto, se han seguido varias estrategias, que las podemos resumir en: Incremento de la actividad de las bacterias involucradas en el proceso, incremento de la biomasa activa dentro del reactor y generación de un buen contacto entre la biomasa activa y el agua residual.

Eliminación de N y P

En los casos en los que las aguas que salen de la plantase vierten a ecosistemas en peligro de eutrofización es importante eliminar los nutrientes (P y N) que estas aguas pueden llevar, para no aumentar la intensidad de ese proceso.

Para eliminar fósforo se suelen pasar las aguas por un reactor "anaerobio" que facilita una mayor asimilación de ese elemento por las bacterias. Así se llega a eliminar el 60 - 70% del fósforo. Si esto no es suficiente se complementa con una precipitación química forzada por la adición de sulfato de alúmina o cloruro férrico.

La eliminación de nitrógeno se hace en varias fases. En primer lugar, durante el tratamiento biológico habitual, la mayor parte de los compuestos orgánicos de nitrógeno se convierten en amoniaco (amonificación). A continuación hay que conseguir que el amoniaco se convierta a nitratos (nitrificación) por la acción de bacterias nitrificantes (Nitrosomonas y Nitrobacter) que son aerobias. Este proceso de nitrificación necesita de reactores de mucho mayor volumen (unas cinco o seis veces mayor) que los necesarios para eliminar carbono orgánico. Las temperaturas bajas también dificultan el proceso (a 12ºC el volumen debe ser el doble que a 18ºC).

A continuación se procura la eliminación de los nitratos en el proceso llamado desnitrificación. Para esto se usan bacterias en condiciones anaerobias que hacen reaccionar el nitrato con parte del carbono que contiene el agua que está siendo tratada. Como resultado de la reacción se forma CO2 y N2 que se desprenden a la atmósfera. Para

llevar a cabo estos procesos hacen falta reactores de gran volumen, aireación de grandes masas de agua y recirculación de fangos que complican y encarecen todo el proceso de depuración.

En el medio ambiente natural, cuando interaccionan el agua, el suelo, las plantas, los microorganismos y la atmósfera, se producen procesos físicos, químicos y biológicos. Los sistemas de tratamiento natural se diseñan para aprovechar estos procesos con el objeto de proporcionar tratamiento al agua residual.

Sistemas de Tratamiento Naturales

Sistemas de tratamiento naturales de aguas residuales

Los procesos que intervienen en los sistemas de tratamiento natural incluyen muchos de los utilizados en las plantas de tratamiento (sedimentación, filtración, transferencia de gases, adsorción, intercambio iónico, precipitación química, oxidación y reducción química y conversión y descomposición biológicas), junto con procesos propios de los sistemas de tratamiento natural tales como la fotosíntesis, la fotooxidación y la asimilación por parte de las plantas

A diferencia de los sistemas mecánicos, en los que los procesos se llevan a cabo, de forma secuencial, en diferentes tanques y reactores a velocidades aceleradas como consecuencia del poder energético, en los sistemas naturales los procesos se producen a velocidades ―naturales‖ y tienden a realizarse de forma simultánea en un único ―reactor-ecosistema‖

Dentro de los sistemas de tratamiento natural se incluyen, los sistemas de aplicación al terreno (sistemas de baja carga, de infiltración rápida y de riego superficial) y los sistemas acuáticos (terrenos pantanosos naturales y artificiales y sistemas de tratamiento mediante plantas acuáticas).

Potencial de plantas acuáticas en el postratamiento de aguas residuales Las alternativas de tratamiento biológico incorporan el uso de plantas superiores (macrófitas) como elemento de tratamiento de las aguas y proponen el aprovechamiento al máximo de las ventajas de las zonas tropicales tales como la amplia disponibilidad de luz solar, las altas temperaturas y las propiedades inherentes de las plantas del trópico, además de su gran variedad.

La similitud de contenido de nutrientes de las aguas negras y de los fertilizantes comerciales, aunque en proporciones y cantidades diferentes, ofrecen una interesante perspectiva de la recuperación de los recursos en la forma de cultivos que pueden ser aprovechados para producción de fertilizante orgánico, energía y alimento, estableciendo así sistemas integrados de control de la contaminación de las aguas y de recuperación de recursos.

Las plantas acuáticas y el control de la contaminación.

Aunque algunos de los primeros intentos de tratar las aguas residuales involucró el uso de ecosistemas de pantanos y aún de bosques, paulatinamente la experiencia puso de manifiesto que las plantas acuáticas flotantes, con sus raíces especiales, son en realidad el mejor sistema de filtro biológico para extraer contaminantes que se encuentran en las aguas residuales.

La riqueza y variedad de conductas y de compuestos químicos secundarios que las plantas poseen, por ejemplo compuestos de nitrógeno, terpenoides, fenólicos y alcaloides, para afrontar factores tales como las diferencias de clima y de suelos, los contaminantes no naturales, los animales y la competencia de las otras plantas, dan a entender el gran potencial que éstas tienen como elemento integral de procesos de tratamiento de aguas y control de la contaminación.

Algunos ejemplos de cualidades de las plantas son:

La mejor eficiencia fotosintética de la mayoría de las plantas tropicales, en comparación con las plantas de climas templados, debido a la existencia de un ciclo de asimilación del carbón, el ciclo de Hatch-Slack, adicional al ciclo de Calvin, existente en todas las plantas.

La gran adaptación a la sequía demostrada por algunas plantas, a través de mecanismos fisiológicos o bioquímicos.

La habilidad de algunas plantas para absorber, sin presentar síntomas de intoxicación, sustancias nocivas para la vida animal.

En el caso específico de posible tratamiento de aguas negras algunos ejemplos ilustran el potencial de las plantas, con experimentos realizados por Tridech, et. al, 1981, citado por Fonseca y Villate, 1983, en los que se compararon la remoción de cadmio, arsénico, mercurio, selenio, boro, fenoles y bifeniles policlorinados, nitrógeno y fósforo, por plantas creciendo en efluentes secundarios, usando plantas flotantes

Eichhornia crassipes, Lemna minor y Pistia stratiotes, plantas

sumergidas Elodea

canadensis, Ceratophyllum demersum, Alternanthera philoxeroides y las emergentes Scirpus l., Juncos, Sagittaria graminea.

Los fenoles son rápidamente glicosilados y almacenados en las vacuolas o metabolizados hasta CO2 por un buen número de plantas, tal es el caso de algunas del género Scirpus y su microflora asociada. Además las raíces de las plantas proveen apreciable superficie de adherencia y una fuente de carbón orgánico para las bacterias denitrificadoras,

contribuyendo

así

al

proceso

de

remoción

de

nutrientes

indirectamente; en algunos casos translocan oxígeno de la atmósfera a las raíces (Wolverton y McDonald, 1983), siendo esto parte de la capacidad de adaptación a ambientes anaeróbicos, que permiten la subsistencia de algunas plantas en áreas sometidas a inundación periódica.

Plantas acuáticas utilizadas en tratamiento de aguas residuales.

Existe un gran número de especies de plantas acuáticas, tanto flotantes como emergentes (e inclusive algunas especies sumergidas), que se han utilizado para el tratamiento de aguas residuales. Aunque existen estudios para el tratamiento de efluentes con varias especies de plantas acuáticas, el jacinto ha sido el más utilizado para este fin, debido a sus características. Se ha demostrado que la productividad del jacinto acuático está en función de la temperatura del aire, la disponibilidad de nutrientes (principalmente nitrógeno) y la densidad de la planta. Además, las plantas proveen sombra que impide el crecimiento de algas, permitiendo que actúe como filtro biológico clarificando y purificando el agua.

El estudio más completo de depuración con jacintos de agua, tanto sobre efluentes urbanos como industriales, ha sido llevado a cabo por el grupo de Wolverton en Mississippi, en la NASA, National Space Technology Laboratories. El objetivo inicial de estas investigaciones fue la búsqueda de un sistema que mejorase los lagunajes facultativos (muy utilizados en Estados Unidos en pequeñas comunidades), a fin de que los efluentes no superasen los límites contaminantes fijados por la ley federal de 1972 (Federal Water Pollution Control Act Amendments). Como resultados de estos trabajos, el jacinto de agua ha sido empleado con éxito en el tratamiento de aguas en el Sur y Sudoeste de los Estados Unidos (Martín, 1994).

Mecanismos de remoción de contaminantes por parte de las plantas acuáticas.

Con base en observaciones de ecosistemas naturales y en estudios de laboratorio y a escala piloto, se ha logrado identificar varios mecanismos de remoción que se suceden

simultáneamente en los sistemas acuáticos, aunque en diferentes etapas del proceso, alguno de estos mecanismos puede ser dominante sobre los otros.

La mayor parte del tratamiento en estos sistemas está relacionada con el metabolismo bacterial; es decir que la remoción de sólidos coloidales y material orgánico soluble se lleva a cabo principalmente por bacterias suspendidas o soportadas en la planta. La filtración mecánica es otro mecanismo de importancia dentro del proceso de purificación en un sistema acuático. En él las partículas son filtradas al pasar el agua a través, bien sea del sustrato o de la red de raíces.

Coexisten, naturalmente, varios fenómenos físicos y químicos en los mecanismos de remoción nombrados y en otros presentes durante el tratamiento. Por ejemplo, adsorción física y química sobre el sustrato o la superficie de la planta, la descomposición o alteración de los compuestos menos estables a través de

fenómenos de oxidación y

reducción y por radiación ultravioleta

Se ha descrito que el mecanismo de purificación en las lagunas con plantas acuáticas se lleva a cabo de la siguiente manera:.

a) La oxidación de la materia orgánica la realizan las bacterias asociadas a la raíz de la planta. Esta oxidación se ve favorecida por el transporte de oxígeno de las hojas a la raíz.

b) La remoción de nitrógeno se realiza por absorción de la planta y por una combinación de procesos microbianos de nitrificación - desnitrificación.

c) La remoción de fosfatos y otros iones se lleva a cabo en gran parte por la absorción de la planta y en menor proporción por los microorganismos y mecanismos de precipitación.

Plantas de Tratamiento de Agua o Plantas Potabilizadoras

Una planta de tratamiento es una secuencia de operaciones o procesos unitarios, convenientemente

seleccionados

con

el

fin

de

remover

totalmente

los

contaminantes microbiológicos presentes en el agua cruda y parcialmente los físicos y químicos, hasta llevarlos a los límites aceptables estipulados por las normas.

Tipos de plantas de tratamiento de agua

Las plantas de tratamiento de agua se pueden clasificar, de acuerdo con el tipo de procesos que las conforman, en plantas de filtración rápida y plantas de filtración lenta.

También se pueden clasificar, de acuerdo con la tecnología usada en el proyecto, en plantas convencionales antiguas, plantas convencionales de tecnología apropiada y plantas de tecnología importada o de patente.

Plantas de filtración rápida

Estas plantas se denominan así porque los filtros que las integran operan con velocidades altas, entre 80 y 300 m3/m2.d, de acuerdo con las características del agua, del medio filtrante y de los recursos disponibles para operar y mantener estas instalaciones.

Como consecuencia de las altas velocidades con las que operan estos filtros, se colmatan en un lapso de 40 a 50 horas en promedio. En esta situación, se aplica el retrolavado o lavado ascensional de la unidad durante un lapso de 5 a 15 minutos (dependiendo del tipo de sistema de lavado) para descolmatar el medio filtrante devolviéndole su porosidad inicial y reanudar la operación de la unidad.

De acuerdo con la calidad del agua por tratar, se presentan dos soluciones dentro de este tipo de plantas: plantas de filtración rápida completa y plantas de filtración directa.

Planta de filtración rápida completa

Una planta de filtración rápida completa normalmente está integrada por los procesos de coagulación, decantación, filtración y desinfección. El proceso de coagulación se realiza en dos etapas: una fuerte agitación del agua para obtener una dispersión instantánea de la sustancia coagulante en toda la masa de agua (mezcla rápida) seguida de una agitación lenta para promover la rápida aglomeración y crecimiento del floculo (etapa de

floculación).

La coagulación tiene la finalidad de mejorar la eficiencia de remoción de partículas coloidales en el proceso de decantación (sedimentación de partículas floculentas). El proceso final de filtración desempeña una labor de acabado, le da el pulimento final al agua.

De acuerdo con las investigaciones realizadas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de los Estados Unidos, el filtro debe producir un efluente con una turbiedad menor o igual a 0,10 UNT para garantizar que esté libre de huevos de parásitos (Giardia,

Cryptosporidium, etcétera). Para lograr esta eficiencia en la filtración, es necesario que los decantadores produzcan un agua con 2 UNT como máximo. Finalmente, se lleva a cabo la

desinfección, proceso común a los dos tipos de plantas, las de filtración rápida completa y las de filtración directa. La función principal de este proceso es completar la remoción de microorganismos patógenos que no quedaron retenidos en el filtro y servir de protección contra la contaminación que el agua pueda encontrar en el sistema de distribución.

La desinfección, en la forma en que normalmente se aplica (esto es, con residual libre de 1 mg/L a la salida de la planta y tiempo de contacto mínimo de 30 minutos), solo tiene la capacidad de remover bacterias.

Plantas de Filtración directa

Es una alternativa a la filtración rápida, constituida por los procesos de mezcla rápida y filtración, apropiada solo para aguas claras.

Son ideales para este tipo de solución las aguas provenientes de embalses o represas, que operan como grandes presedimentadores y proporcionan aguas constantemente claras y poco contaminadas.

Cuando la fuente de abastecimiento es confiable —caso de una cuenca virgen o bien protegida—, en la que la turbiedad del agua no supera de 10 a 20 UNT el 80% del tiempo, y no supera 30 UNT ni 25 UC el 90% del tiempo, puede considerarse la alternativa de emplear filtración directa descendente

Cuando el agua viene directamente del río y aunque clara la mayor parte del año, presenta frecuentes fluctuaciones de turbiedad, normalmente se considera una floculación corta, generalmente de no más de 6 a 8 minutos, para obtener un efluente de calidad constante, aunque con carreras de filtración más cortas. Esta es la alternativa más

restringida de todas en cuanto a la calidad de agua que se va a tratar. En el caso de aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan los 100 UNT y las 60 UC y alcanzan esporádicamente hasta 200 UNT y 100 UC, podrían ser tratadas mediante filtración directa

ascendente.

La tercera alternativa disponible para aguas relativamente claras es la filtración directa

ascendente–descendente. Esta alternativa es aplicable a aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan las 250 UNT ni las 60 UC, y alcanzan esporádicamente más de 400 UNT y 100 UC.

Plantas de filtración lenta

Los filtros lentos operan con tasas que normalmente varían entre 0,10 y 0,30 m/h; esto es, con tasas como 100 veces menores que las tasas promedio empleadas en los filtros rápidos; de allí el nombre que tienen. También se les conoce como filtros ingleses, por su lugar de origen.

Los filtros lentos simulan los procesos de tratamiento que se efectúan en la naturaleza en forma espontánea, al percolar el agua proveniente de las lluvias, ríos, lagunas, etcétera, a través de los estratos de la corteza terrestre, atravesando capas de grava, arena y arcilla hasta alcanzar los acuíferos o ríos subterráneos. Al igual que en la naturaleza, los procesos que emplean estos filtros son físicos y biológicos.

Una planta de filtración lenta puede estar constituida solo por filtros lentos, pero dependiendo de la calidad del agua, puede comprender los procesos de desarenado, presedimentación, sedimentación, filtración gruesa o filtración en grava y filtración lenta.

Los procesos previos al filtro lento tienen la función de acondicionar la calidad del agua cruda a los límites aceptables por el filtro lento. Con el tren de procesos indicados se puede remover hasta 500 UNT, teniendo en cuenta que el contenido de material coloidal no debe ser mayor de 50 UNT; es decir, que la mayor parte de las partículas deben estar en suspensión para que sean removidas mediante métodos físicos.

Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas

Los

Municipios

Colombianos

como

consecuencia

de

la

descentralización

administrativa han venido adquiriendo una mayor responsabilidad en la gestión para orientar el desarrollo socioeconómico y ambiental de los entes territoriales. Aunque los recursos económicos propios y de la nación son el eje de dicha gestión, también lo son los instrumentos procedimentales y normativos con que cuentan las administraciones municipales para realizar una labor eficiente.

Una de las problemática ambientales que se ha intensificado durante los últimos años y que exige de una acción inmediata de los municipios, es la descontaminación del recurso hídrico generada por las aguas residuales municipales. Sólo el 22 % de los municipios del país realizan un tratamiento de sus aguas residuales, un porcentaje realmente bajo sí consideramos que tampoco se ha reportado una aceptable eficiencia y operación de la mayoría de estas plantas de tratamiento.

Pero la gestión para el Manejo y Tratamiento de las Aguas Residuales (MTAR) no se reduce simplemente el tratamiento de los vertimientos del alcantarillado municipal, debe trascender a una gestión más integral reflejada en la reducción de cantidad de vertimientos, control de la calidad de los vertidos, ampliación de la cobertura de recolección, formulación de planes maestros de saneamiento, gestión de los proyectos de inversión, construcción de la infraestructura de tratamiento, seguimiento sanitario y ambiental y programas de educación ambiental, entre otros.

Problemática ambiental

Las descargas de las aguas residuales municipales se han convertido en uno de los problemas ambientales más críticos y más crecientes, si consideramos que el incremento poblacional de la mayoría de los centros urbanos medianos y grandes es notable debido a la situación socioeconómica y de orden público del país.

Esta situación se refleja en el aumento de las descargas de tipo doméstico y productivo, deteriorando cada vez más el estado de la calidad del recurso. La situación se hace más crítica cuando la corriente tiene un uso definido aguas abajo, pues se alteran las condiciones de calidad del agua requeridas para el abastecimiento de actividades específicas (doméstica, industrial, agrícola, pecuaria, etc.) y la vida acuática.

Las evaluaciones reportan que los centros urbanos en Colombia captan alrededor de los 170 m³/seg de agua, de los cuales se pierden entre 40% y 50 %, regresando al ambiente en forma de aguas residuales entre un 70%a 80% de las aguas consumidas. Se estima que en Colombia se descargan diariamente cerca de 700 toneladas de carga orgánica del sector doméstico urbano a los cuerpos de agua.

El inventario de sistemas de tratamiento de aguas residuales del Ministerio del Medio Ambiente, reporta que sólo 22% de las cabeceras municipales del país hacen tratamiento de las aguas residuales y muchas están funcionando deficientemente, o lo que es más crítico sin ser operadas.

Se reporta que los departamentos con mayor cobertura de plantas de tratamiento de aguas residuales, PTAR (operando y/o en diseño) son Cundinamarca (38 PTAR), Antioquia(26 PTAR), Cesar (14 PTAR), Valle del Cauca (14 PTAR) y Tolima (13 PTAR).

El caso crítico en el país se presenta en la cuenca del Magdalena-Cauca (25 % del área territorial), con un 70%de la población y sólo 11 % de la oferta hídrica del país; estas condiciones han contribuido a la desregulación del régimen hídrico y al deterioro de la calidad de la cuenca.

La presión sobre las demás áreas hidrográficas (las vertientes del Orinoco, Amazonas, Pacífico, Sinú, Atrato, Catatumbo y Sierra Nevada de Santa Marta) es importante y de carácter regional.

La contaminación hídrica no es exclusiva de los centros urbanos, pero una alta proporción (más de 50%) de las cargas contaminantes son generadas por los vertimientos domésticos de los municipios; se destacan como zonas críticas las·áreas metropolitanas y centros urbanos mayores tales como Bogotá - Soacha; Cali - Yumbo; Medellín - Valle de Aburrá·; Bucaramanga-Florida blanca; Pereira - Dosquebradas - La Virginia; Barranquilla Soledad; Cartagena -Mamonal y Santa Marta, entre otros; afectando ecosistemas hídricos tan importantes como los ríos Bogotá·,Cauca, Medellín, Magdalena, Otún-Consota, la bahía de Cartagena y Barranquilla, entre otros.

Según el Inventario Nacional del Sector de Agua Potable y Saneamiento del Ministerio de Desarrollo, cerca de1300 cuerpos de agua están siendo contaminados por ser los receptores de los vertimientos municipales.

Esta situación hace que la disponibilidad del recurso sea limitada en muchas regiones del país principalmente para consumo humano y recreativo. La sobresaturación de carga orgánica desequilibra los ecosistemas acuáticos y genera condiciones anóxicas (sin oxígeno) de difícil recuperación que limitan la vida de las comunidades acuáticas y generan procesos de eutrofización de lagos y lagunas por sobreabundancia de nutrientes (nitrógeno y fósforo).

Problemática socioeconómica

Los vertimientos de aguas residuales a los cuerpos de agua no sólo impactan la vida acuática, si no que principalmente afectan la salud humana. La contaminación bacteriológica presente en las aguas negras municipales es la más relevante a nivel sanitario, ya que estas contienen en grandes cantidades microorganismos patógenos generadores de múltiples enfermedades (cólera, amebiasis, disentería, gastroenteritis, fiebre tifoidea, hepatitis A, entre otras).

Aunque Colombia es uno de los países que se destaca por su alto nivel sanitario, se continúan reportando elevados índices de enfermedades asociadas al agua; estando éstas siempre entre los cinco primeros lugares de mortalidad y morbilidad en niños (sólo en 1991 se reportaron 12.210 casos y 208 defunciones en 248 municipios por una epidemia de cólera).

La disponibilidad natural de agua potable se reduce cuando existen vertimientos aguas arriba de las captaciones de acueductos, por esta causa en el país son muchos los centros poblados que consumen aguas de mala calidad; que se agrava con la falta de un adecuado sistema de potabilización.

Los inventarios de agua potable y saneamiento reportan que aproximadamente 300 municipios no realizan desinfección de las aguas que se están consumiendo y 450 no tienen planta de tratamiento.

Los impactos económicos por un mal manejo y disposición de las aguas residuales no está suficientemente valorado, pero es evidente los sobrecostos que es necesario invertir para remover los principales contaminantes.

Las plantas de tratamiento de agua potable se han convertido sin pretenderlo, en sistemas de tratamiento de aguas residuales que aunque diluidas exigen una mayor cantidad de adición de químicos y un mayor esfuerzo en las actividades de mantenimiento y operación.

Las inversiones adicionales en la salud no son menores, en aquellas poblaciones carentes de sistemas de potabilización adecuados, se evidencia una mayor incidencia de enfermedades gastrointestinales que generan grandes gastos en servicios de salud.

Las aguas residuales mal manejadas afectan áreas con un alto potencial turístico y recreativo no permitiendo el desarrollo de proyectos generadores de recursos en este sector. Hace menos de 20 años muchos municipios contaban con cuerpos de agua que permitían actividades recreativas y generaban algunos recursos, actualmente son pocas las zonas que conservan esta vocación, todo esto por los efectos de la contaminación de los vertimientos de aguas negras.

Igualmente, no se ha estimado el impacto económico en los sectores productivos, los cuales invierten insumos importantes en remover los contaminantes que afectan los procesos productivos y el mantenimiento de maquinaria y equipos afectados por la contaminación.

Características de las AguasResiduales Municipales

Las aguas residuales municipales son esencialmente aquellas aguas de abastecimiento que después de ser utilizadas en las actividades domésticas (consumo humano, cocimiento de alimentos, aseo personal y local, etc.) y productivas (lavados, diluciones, calentamientos, refrigeración, etc.) son descargadas a los alcantarillados domiciliarios o directamente al ambiente.

Las características físicas, químicas y bacteriológicas del agua residual de cada centro urbano varía de acuerdo con los factores externos como: localización, temperatura, origen del agua captada, entre otros; y a factores internos como la población, el desarrollo socioeconómico, el nivel industrial, la dieta en la alimentación, el tipo de aparatos sanitarios, las prácticas de uso eficiente de agua, etc.

Igualmente los vertimientos varían en su caudal en el tiempo, presentando a nivel doméstico mayores volúmenes especialmente en horas de comidas y de quehaceres domésticos, y a nivel industrial de acuerdo a los horarios de lavados y descargas en los procesos de producción. Por esta razón cada municipio presenta unas características moderadamente variables en sus vertimientos.

El principal contaminador de las Aguas Residuales Domésticas (ARD) son las heces y la orina humana, seguido de los residuos orgánicos de la cocina; éstas presentan un alto contenido de materia orgánica biodegradable y de microorganismos que por lo general son patógenos.

Cuando el municipio tiene un alto desarrollo industrial pueden predominar compuestos inorgánicos poco biodegradables (metales pesados,

plaguicidas, sólidos, etc) y

dependiendo del estado del alcantarillado (fugas o conexiones erradas) o si es combinado

(aguas lluvias y negras) o sanitario (sólo aguas negras), pueden estar más o menos diluidas.

La composición típica de un agua residual municipal se presenta en la Tabla 16.

La materia orgánica (grasas, proteínas, carbohidratos) presente en las aguas residuales domésticas es biodegradada por los microorganismos, en condiciones aeróbicas cuando los cuerpos de agua no están altamente contaminados, o en condiciones anaerobias cuando se superan los niveles de asimilación, agotando el oxígeno disuelto, limitando la vida acuática y generando malos olores producto de los procesos de descomposición.

El alto número de microorganismos presentes en los vertimientos, principalmente los coliformes fecales (indicadores de contaminación bacteriológica) pueden sobrevivir en el ambiente hasta 90 días. Este hecho afecta notablemente la disponibilidad del recurso para consumo humano, ya que cualquier microorganismo patógeno, que este presente en los vertimientos es potencialmente peligroso y susceptible de afectar la salud humana si no es controlado.

Otros constituyentes de las aguas residuales domésticas como: sólidos, detergentes, grasas y aceites, nitrógeno y fósforo se encuentran en concentraciones relativamente moderadas, cuya asimilación depende del estado del cuerpo receptor.

Tabla 5 Características típicas del agua residual municipal Fuente: MinAmbiente, 2002

CUANTIFICACIÓN DEL VERTIMIENTO DE AGUA RESIDUAL.

Como se describió anteriormente las características en composición y en cantidad de agua residual producidas varían para cada municipio; lo que exige que para caracterizar los vertimientos sea necesario realizar programas intensivos de aforos de caudal y muestreos de los efluentes finales del sistema de alcantarillado.

El Reglamento de Agua Potable y Saneamiento, (RAS), expedido por el Ministerio de Desarrollo, plantea en el título E, los procedimientos necesarios para determinar los

caudales y las concentraciones de los compuestos de interés sanitario y ambiental de los vertimientos.

Dichos programas de monitoreo se consideran indispensables en centros urbanos medianos y altamente desarrollados a nivel industrial y agroindustrial ya que dependiendo del tipo de actividad productiva se presentan diferentes calidades en los vertidos.

Para centros urbanos de municipios pequeños predominan las características de un agua residual de tipo doméstico, por lo que existen métodos indirectos (presuntivos) muy prácticos para la determinación de caudales y de los principales contaminantes.

DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DEL AGUA RESIDUAL.

El caudal depende de la población existente dentro del perímetro sanitario del centro urbano y la dotación de consumo de agua per capita (litros por habitante en un día) afectado por un factor de retorno (porcentaje del agua consumida que regresa al alcantarillado, generalmente entre 70% y 80 %) (Tabla No 17).

El caudal de consumo medio diario, Qmd es:

Qmd (lt/día) = P (habitantes) x D (dotación, lt/hab/día)

Tabla 6. Dotaciones de consumo.

Fuente: MinAmbiente, 2002.

En un alcantarillado municipal existen otros aportes de aguas residuales

(industrial,

comercial, institucional) y de conexiones erradas e infiltraciones que no son valorados en la Guía de MinAmbiente en la cual nos hemos basado para presentar este capítulo.

CANTIDAD DE UNA SUSTANCIA DE INTERÉS AMBIENTAL Y SANITARIO

La cantidad de una sustancia es por lo general expresada como la concentración (en general en miligramos por litro), que es la medida del peso del compuesto en un volumen definido.

Igualmente se ha generalizado la expresión de carga contaminante (CC) cuando se relaciona la concentración directamente con el caudal descargado, expresando la cantidad de una sustancia vertida en el tiempo. Las mediciones directas de campo son las más representativas para obtener mediante análisis de laboratorio las concentraciones de compuestos de interés en una muestra de agua residual.

Algunos parámetros característicos de las aguas residuales domésticas son la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5), la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y los Sólidos Suspendidos Totales (SST); los cuales pueden determinarse de manera presuntiva mediante el uso de cargas unitarias (Cu). Se estima que una persona genera una contaminación diaria aproximada de 0.040 kg DBO y 0.050 kg SST.

La carga contaminante para una sustancia se determina entonces así: Para determinar si un vertimiento de agua residual es biodegradable y puede ser tratado por medios biológicos se verifica que la relación DBO5/DQO sea mayor a 0.5 (es decir una proporción de materia orgánica mayor al 50 %).

Para la determinación de los coliformes fecales por su variabilidad en las aguas residuales no se sugiere la utilización cargas unitarias, sino la realización de muestreos y análisis de laboratorio de los vertimientos municipales.

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Lectura recomendada Sistemas de Tratamiento de aguas residuales. CEPIS/OPS/OMS.2002

Lectura recomendada Fundamentos de la ósmosis inversa.

Lectura complementaria

Desinfección con luz ultravioleta.

Lectura recomendada Humedales de flujo superficial.

Lectura recomendada Pozos Sépticos. EPA.

Lectura complementaria UASB en Colombia.

BIBLIOGRAFÍA

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Lecturas Recomendadas

Riesgos en trabajos con aguas residuales.

Bacterias autóctonas bioaumentadas que mejoran la calidad de los líquidos cloacales tratados en lagunas de estabilización.

Riesgos para la salud por el uso de aguas residuales en agricultura. CEPIS

Guías para elaborar normas de calidad del agua de bebida en los países en desarrollo. OPS/CEPIS/PUB/02.78.

Lecturas Complementarias

Guías para elaborar normas de calidad del agua de bebida en los países en desarrollo. OPS/CEPIS/PUB/02.78

Eliminación

de

microorganismos

CEPIS/OPS/OMS. 2002.

por

diversos

procesos

de

tratamiento.