Evaluación de tres métodos para la inactivación de coliformes y Escherichia coli presentes en agua residual doméstica, empleada para riego

Evaluation of three methods for the inactivation of coliforms and Escherichia coli present in domestic wastewaters used in irrigation

Avaliação de três métodos para a inativação de coliformes totais e Escherichia coli presentes em águas residuais domésticas utilizadas para a irrigação

Resumen

Objetivo. Evaluar tres tratamientos (lagunaje, fotocatálisis con TiO₂ y desinfección química) para la inactivación de coliformes totales y Escherichia coli presentes en agua residual doméstica empleada para riego agrícola. Materiales y métodos. El agua residual fue caracterizada por medio de análisis físicos, químicos y microbiológicos. Posteriormente fue sometida a un tratamiento de lagunaje facultativo (TLF), pos tratamiento fotocatalítico (PTFTiO₂/UV) y pos tratamiento químico (PTQ NaClO). Valorando la capacidad desinfectante de cada uno de ellos para inactivar coliformes totales y E. coli. A continuación se procesaron tres nuevos lotes de agua residual y se utilizaron para realizar pruebas de riego a escala de laboratorio por 30 días, empleando como modelo plantas de Lactuca sativa variedad Batavia y evaluando la concentración inicial y final de los dos grupos. Resultados. El PTFTiO₂/UV fue significativamente superior que TLFLF y el PTQ NaClO (p<0,0001) obteniendo 100% de inactivación para coliformes y E. coli a los 30 minutos de irradiación a escala de reactor. Respecto a las pruebas de riego de L. sativa se demostró que al utilizar el agua tratada por PTFTiO₂/UV no se presentó contaminación con E. coli y coliformes a los 30 días de proceso. Por el contrario en las plantas regadas con agua tratada por TLF y PTQ NaClO se observó un incremento en las dos poblaciones generando un problema de contaminación de las hortalizas al finalizar la prueba de laboratorio. Conclusión. La fotocatálisis heterogénea TiO₂ fue un método eficaz para la reducción de coliformes y E.coli en aguas residuales domésticas.

Palabras clave: fotocatálisis heterogénea, calidad higiénica, Lactuca sativa.

Abstract

Objective. To evaluate three treatments (facultative stabilization ponds, heterogeneous photocatalysis with TiO₂ and chemical disinfection with sodium hypochlorite) for the inactivation of coliforms and Escherichia coli presen in domestic wastewaters used in agricultural irrigation. Materials and methods. Wastewater was characterized by physical, chemical and microbiological analyses and was then exposed to a facultative pond treatment (FPT), post-photocatalytic treatment (PTFTiO₂/UV) and post-chemical treatment (PTQNaClO) to assess the disinfecting capacity of each method in the inactivation of total coliforms and E. coli. Three new samples of wastewater were processed and used in irrigation tests on a laboratory-scale basis for 30 days, using Lactuca sativa cultivar. Batavia as a model plant and evaluating the initial and final concentrations of the two groups. Results. PTFTiO₂/UV was significantly higher than FPT and PTQNaClO (p<0.0001), obtaining 100% of inactivation of coliforms and E. coli after 30 minutes of irradiation at a reactor scale. Regarding the irrigation tests with L. sativa, we showed that using water treated by PTFTiO₂/UV there is no contamination with E. coli and coliforms after 30 days. On the contrary, plants irrigated with water treated by FPT and PTQNaClO showed an increase in the two populations originating a contamination problem in the vegetable by the end of the laboratory experiments. Conclusion. The heterogeneous photocatalysis with TiO₂ was an effective method in the reduction of coliforms and E. coli present in domestic wastewater.

Key words: heterogeneous photocatalysis, hygienic quality, Lactuca sativa.

Resumo

Objetivo. Avaliar três tratamentos (lagoas, fotocatálise com TiO₂ e desinfecção química) para inativação de coliformes totais e Escherichia coli presentes em águas residuais domésticas utilizadas na irrigação dos cultivos. Materiais e métodos. O efluente foi caracterizado por analises físicos, químicos e microbiológicos. Posteriormente foi submetido a tratamento de lagoas facultativas (TLF), pós-tratamento fotocatalítico (PTF_TiO2/UV) e pós-tratamento químico (PTQ _NaClO). Avaliando a capacidade desinfetante de cada um para inativar coliformes totais e E. coli. Posteriormente, foram processados três novos lotes de águas residuais para testar a irrigação em escala de laboratório por 30 dias, utilizando-se como modelo plantas de Lactuca sativa variedade Batavia e avaliando a concentração inicial e final dos dois grupos. Resultados. O PTFTiO₂/UV foi significativamente maior a TLFLF e PTQ NaClO (p<0,0001) apresentando 100% de inativação para coliformes e E. coli em 30 minutos de irradiação a escala do reator. Quanto aos testes de irrigação de L. sativa foi demonstrado que, ao utilizar a água tratada com PTFTiO₂/UV não se apresentou contaminação com E. coli e coliformes a 30 dias do tratamento. Em contrapartida, em plantas irrigadas com água tratada por TLF e PTQ NaClO observou-se um aumento nas duas populações gerando um problema de contaminação de hortaliças no final do teste de laboratório. Conclusão. A fotocatálise heterogênea TiO₂ foi um método eficaz para reduzirem coliformes e E. coli em águas residuais domésticas.

Palavras-Chave: foto-catálise heterogênea, qualidade higiênica, Lactuca sativa.

Introducción

En los últimos 10 años, los agricultores han incorporado en sus prácticas agrícolas el uso de aguas recicladas, debido a que los recursos hídricos naturales paulatinamente se están reduciendo (1), este tipo de agua constituye un riesgo al traer microorganismos patógenos que pueden llegar a los cultivos (2). Parte de esta agua proviene de lagunas de oxidación, donde se han realizado tratamientos primarios para reducir la carga orgánica (3). La sabana de Bogotá, es una de las fuentes de hortalizas más grandes de país, es frecuente el uso de estas aguas de riego recicladas. Sin embargo, a pesar de tener un tratamiento biológico previo, no se garantiza la calidad microbiológica debido a la carga biológica tan elevada que ingresa a las lagunas de oxidación de modo que, si bien se logra reducir la concentración de bacterias, no es apta para riego. Tradicionalmente se utiliza la desinfección con cloro para eliminar microorganismos en aguas residuales y potables; por su bajo costo, facilidad de adquisición y efectividad comprobada. No obstante, este método químico tiene desventajas como su inactivación en presencia de materia orgánica, generación de olores, posible formación de intermediarios tóxicos como cloraminas y trihalometanos (4). Por estas razones recientemente, se han desarrollado otras alternativas de inactivación como los procesos de oxidación avanzada (POAs), dentro de los que se destaca la fotocatálisis heterogénea con TiO₂. El efecto desinfectante o esterilizador de un semiconductor (catalizador) se basa en la generación de pares electrón-hueco y su posterior recombinación en procesos de transferencia de carga interfacial (oxidativos o reductivos), en presencia de radiación electromagnética con energía mayor que la brecha de energía prohibida del semiconductor (E_g ~ 3.4 eV). Se ejerce, de esta manera, un efecto inactivador sobre la población microbiana expuesta mediante la oxidación del agua adsorbida en la superficie del TiO₂ para formar especies fuertemente oxidantes, como los radicales hidroxilo (*OH), que son considerados los principales responsables del daño celular en los microorganismos (5,6).

El objetivo de este trabajo fue evaluar la efectividad de tres tratamientos: Biológico (lagunaje facultativo), físico (TiO₂/UV) y químico (NaClO) como alternativas para la reducción o eliminación de coliformes totales y Escherichia coli presentes en agua residual doméstica empleada para riego de Lactuca sativa variedad Batavia.

Materiales y métodos

Muestreo de agua residual

El agua residual doméstica se obtuvo de una planta de tratamiento ubicada a 35 Km de Bogotá; región que cuenta con una temperatura promedio de 13 °C, una precipitación anual de 890 mm y se encuentra a una altura que oscila entre los 2600 m sobre el nivel del mar (7).

Respecto a la caracterización inicial se realizaron determinaciones para demanda biológica de oxígeno al quinto día (DBO₅), demanda química de oxígeno (DQO), (Método 5210B) (8), sólidos suspendidos totales (SST) (Método 2540 D), (7) sólidos disueltos totales (SDT) (Método 2540 C) (8), sólidos sedimentables (SS) y sólidos totales (ST), unidades de color (UC), materia orgánica (MO), fósforo total (F_T) (Método 4500-P B y E), (8) y nitrógeno total (N_T), (8). Adicionalmente, se realizó recuento de coliformes totales y Escherichia coli en agar Chromocult (Método 9223), (8).

Tratamiento de lagunaje facultativo (TLF)

El tratamiento de lagunaje facultativc o TLF consistió en una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) la cual estaba compuesta por un pre tratamiento (rejillas de cribado), tratamiento primario (desarenadores y trampa de grasa) y lagunas biológicas (aeróbica, facultativa primaria y facultativa secundaria). Con un tiempo de retención de 24 horas. Para evaluar la eficiencia del TLF se realizaron muestreos iniciales y finales en los puntos en los que ingresa y sale el agua de la PTAR, realizando análisis físicos, químicos y microbiológicos.

Pos tratamiento fotocatalítico con TiO₂ (PTFTiO₂/UV)

Elaboración de películas de dióxido de titanio

Se utilizaron láminas de vidrio de (20 mm x 26 mm) como sustrato, se lavaron y desengrasaron con agua-etanolacetona- agua (9). La superficie del SiO₂ se modificó con H₂O₂/H₂SO₄ 3:1 por 20 minutos (9). Las películas se crecieron por inmersión simple en solución de TiO₂ USP al 1% (m/v) y 500 µl de HNO₃ (pH 1,3). Se sedimentaron por 8 horas a 50 °C y se calcinaron a 450° C por 1 hora (2). La superficie de las películas se observó por microscopía electrónica de barrido y se realizó difracción de rayos X (9). Adicionalmente, para valorar la adhesión del TiO₂ al sustrato se le realizó una prueba de desprendimiento que consistió en sonicar la películas crecidas a 50 y 450 °C por 15 minutos; se dejaron secar a 20 °C y nuevamente se determinó el peso de TiO₂ descontando el peso de la lámina de vidrio (9).

El sistema fotocatalítico o pos tratamiento (PTFTiO₂/UV) estaba compuesto por tres reactores cilíndricos de cuarzo con un volumen total de 200 ml, los cuales fueron operados al 60% de su capacidad. Cada uno de ellos estaba colocado sobre un agitador horizontal a 100 rpm, contenía 4 películas de dióxido de titanio (249 µg TiO₂/mg de sustrato), sensor de temperatura y puertos de muestreo para retirar el agua tratada. Externamente se instalaron 2 lámparas de 15 W. A cada rector se le adicionaron 120 ml del agua residual pre tratada por el TLF con poblaciones iniciales de coliformes totales y E. coli de 4 U log y 3 U log. Después de un periodo de estabilización por 30 minutos en oscuridad se inició la irradiación durante 30 minutos; al finalizar el proceso se cuantificaron las poblaciones de E. coli y coliformes totales.

Pos tratamiento químico con cloración (PTQNaClO)

El sistema químico consistió en tres reactores de vidrio de 1000 ml que contenían 548,13 ml del agua residual pre tratada con el TLF y 1,87 ml de hipoclorito de sodio (200 ppm). La solución desinfectante se dejó reaccionar con el agua por 8 horas a temperatura de 20 °C y se realizaron recuentos de coliformes y E. coli.

Para determinar diferencias significativas entre tratamientos se realizó una comparación de medias por medio de una prueba de Turkey con el programa estadístico SAS 6.0 para Windows.

Evaluación de la calidad microbiológica del agua residual tratada empleando como modelo de riego a Latuca sativa var Batavia a escala de laboratorio.

Se realizaron tres nuevos montajes para cada uno de los tratamientos (TLF, PTFTiO₂/UV y PTQNaClO) los cuales fueron muestreados en los tiempos de retención hidráulica correspondientes a cada tratamiento. El experimento se realizó usando 80 plantas de Lactuca sativa var. Batavia con cuatro semanas de desarrollo y 5 hojas verdaderas. Se realizó un análisis microbiológico inicial sembrando en agar Chromocult para determinar la presencia de coliformes totales y E. coli en la zona aérea, radicular y en el suelo. Posteriormente, las plantas se sembraron en 30 g de suelo abonado estéril; se adicionaron diariamente 4 ml de agua desinfectada por cada tratamiento y como control se utilizó agua destilada esterilizada a 121 °C, 15 1 atm., por 15 minutos. A los 30 días, se recolectaron hojas, raíces y suelo para realizar los mismos recuentos que al inicio del experimento. Se realizó una comparación de medias entre tratamientos tomando como variable dependiente las unidades formadoras de colonia expresadas como logaritmo en base 10 (U log) y se utilizó el programa estadístico SAS 9.0.

Resultados

Tratamiento de lagunaje facultativo (TLF)

El TLf removió eficientemente algunos de los parámetros físico-químicos como sólidos sedimentables SS (100%), demanda bioquímica de oxígeno DBO₅ (>30% de remoción en carga para residuales domésticas generados por usuarios existentes) y demanda química de oxígeno DQO (>30% de remoción en carga). Cumpliendo así con los límites básicos de vertimiento a un cuerpo de agua para residuales domésticos según el artículo 72 del decreto 1594/1984 del Ministerio de Salud. No obstante, algunas de las determinaciones realizadas en este estudio no están contempladas en el decreto y se observó que los porcentajes de remoción son bajos, generando un incremento en la concentración de nutrientes responsables de los problemas de eutroficación, aspecto coloreado y presencia de coliformes totales y E. coli. Es el caso de la MO (48%), F_T (25%), N_T (0%), SST (32%), UC (6%) y poblaciones de coliformes totales y E. coli de 4 y 3 U log. De acuerdo con los resultados obtenidos el TLF que asoció sistema primario y biológico, no fue suficiente para eliminar los microorganismos responsables de la contaminación de aguas para uso agrícola y para ciertos parámetros los valores de vertimiento fueron elevados (Tabla 1).

Con relación a las características superficiales de las películas de TiO₂ se observó en las fotografías de microscopía electrónica de barrido que presentan una superficie rugosa, irregular, porosa y no tienen un tamaño de grano homogéneo. El cual varió entre 7,5 y 12,5 µm ± 1,87. Sin embargo, al calcinarlas por 1 hora a 450 °C se mejoró sustancialmente la homogeneidad, adhesión al sustrato y se presentó menor desprendimiento del óxido semiconductor. En las películas secadas a 50 °C la cantidad de TiO₂ depositado fue de 94 µg/mg y al finalizar la prueba de sonicación la cantidad de TiO₂ residual fue de 4,5 µg/mg. Por el contrario en las películas calcinadas la concentración inicial del TiO₂ fue de 30,6 µg/mg y al finalizar la sonicación el valor fue de 30,5 µg/mg lo que equivale a un porcentaje de desprendimiento del 0,32% valor más bajo que el obtenido a 50 °C que fue del 95% (Figura 1).

La figura 2 presenta el patrón de difracción de rayos X para una película calcinada a 450 °C, en la cual se observan los picos 27,4° y 36,08° que corresponder a los planos (101), (110) para rutilo. Para anatasa se presentaron los picos 25,28°, 37,80° equivalentes a los planos (101) y (004).

Al evaluar el potencial desinfectante de la fotocatálisis heterogénea con TiO₂ (PTFTiO₂/UV) como pos tratamiento al TLF se observó que a los 30 minutos de irradiación los porcentajes de inactivación para E. coli y coliformes totales fueron del 100% con un pH final de 8,2. Partiendo de unas concentraciones iniciales de 3 y 4 unidades logarítmicas (U log₁₀) para cada población (Figura 3).

Al finalizar los 30 días de riego con agua residual tratada por los tres sistemas, se presentaron diferencias altamente significativas entre tratamientos (p<0,0001) demostrando que el pos tratamiento fotocatalítico (PTFTiO₂/UV) fue superior que el TLF y el PTQNaClO en cuanto a la inactivación de E. coli debido a que no se recuperó el microorganismo en ninguna de las muestras analizadas (Figura 4). En el PTQNaClO, se encontró una concentración de 0,33 en zona aérea, 0, 27 en zona radicular y 0,40 U log₁₀ en suelo para E. coli. Finalmente con el TLF se recuperaron 1,1, 0,63 y 1,4 U log₁₀ en las mismas zonas de muestreo. En el control con agua destilada no se recuperaron colonias de E. coli en ninguna de las muestras analizadas.

En cuanto al comportamiento de los coliformes totales se observó que la fotocatálisis heterogénea fue significativamente mejor que los demás métodos (p<0,0001) ya que al tratar el agua con este sistema no se recuperó ningún coliforme y a los 30 días de regadío los microorganismos que se aislaron (0,21, 1,1 y 0,32 en zona aérea, radicular y suelo) correspondían posiblemente a las poblaciones iniciales de la matriz suelo, hoja y raíz. Estos datos se confirmaron al analizar los resultados del control con agua destilada en los cuales también se obtuvieron recuentos de 1,7, 4 y 2,1 U log10 en hojas, raíz y suelo. El TLF fue ineficiente para remoción de este grupo indicador ya que presentaron recuentos de 5,8 U log₁₀ en suelo, 5,5 U log₁₀ en la zona radicular y 4,3 U log₁₀ en la zona aérea. Con el PTQNaClO los recuentos finales fueron de 1,63, 1,8 y 1,8 en hoja, raíz y suelo (Figura 5).

La efectividad lograda durante PTFTiO₂/UV se debió principalmente a la conformación estructural del TiO₂, debido a la presencia de la fase anatasa como se invidencia en la figura 2, siendo esta más fotoactiva que la fase rutilo por su alta cristalinidad lo cual le confiere pocos defectos en cuanto a la recombinación de electrones y huecos fotogenerados (17) los cuales producen especies reactivas del oxígeno (ROS) en contacto con el agua y aire del medio causando así un efecto de inactivación sobre E. coli donde los mecanismos que explican esta inactivación incluyen: Un daño parcial sobre la permeabilidad de la membrana externa, seguido por un daño a nivel de pared y en membrana citoplasmática causando la lísis celular (12). También se forman iones superóxidos (O₂) ó (HO₂O) los cuales son menos efectivos contra las bacterias, debido a que las cargas negativas previenen que penetren las membranas celulares de las bacterias, no obstante causan un deterioro complementario en la célula (18). Estudios realizados por Nadtochenko, 2005, (19) permiten señalar que durante el proceso de fotocatálisis se dan los siguientes pasos: 1. Cambios en la peroxidación del lipopolisacárido de la pared durante el inicio. 2. Formación de α y β aldehídos insaturados durante el rompimiento de hidroperóxidos o endoperóxidos y la aparición de puentes de C-O durante la formación de grupos carboxi 3. También se presentan cambios importantes en el perfil de las bandas PO₂ y 4. Formación de bandas de amida que varían en función de la radiación, todos estos cambios generan la destrucción de E. coli (19).

Muchas variables afectan la fotocatálisis con TiO₂, por ejemplo parámetros intrínsecos como el tamaño de partícula, el area superficial del semiconductor, método de preparación y estructura cristalina. asi como parámetros extrínsecos como la temperatura de reacción, la intensidad de la luz y el pH de la solución (20). Un aspecto importante a señalar es que la fotocatálisis puede ser eficaz contra la inactivación de bacterias aún en presencia de materia orgánica, caso que se dió en esta investigación donde la DBO₅ evidenció la presencia de materia orgánica, concordando con los resultados de Rizzo, 2009 (10).

Es muy importante señalar que la fotocatálisis fue efectiva al destruir toda la población de E. coli en 30 minutos, concordando con los datos de Caballero, 2009 (21), evitando de esta manera la posible sobrevivencia de subpoblaciones resistentes, fenómeno que se pudo presentar en el tratamiento con cloro, donde después de un tratamiento con 200 ppm durante 8 horas quedó un porcentaje de sobrevivientes que dentro de un ecosistema como el agua puede ser un problema a largo plazo.

Con relación a los datos obtenidos en el cultivo de L. sativa, para el agua pos tratada por fotocatalisis no se presentó contaminación con E. coli, al finalizar el periodo de riego de las plantas, señalando la importancia de este tratamiento en la inactivación de esta bacteria. Caso contrario sucedió en el tratamiento con hipoclorito de sodio en el cual las plantas resultaron contaminadas al entrar en contacto con el agua tratada ya que esta contenía E. coli. Para el tratamiento convencional la concentración de E. coli fue superior a los otros dos tratamientos indicando que el sistema lagunaje es una fuente directa de contaminación en los cultivos.

Es importante señalar que inicialmente la zona radicular, aérea y el suelo presentaron coliformes. Que a pesar de realizar el proceso de desinfección del material vegetal y la esterilización del suelo; siguieron presentes e incrementaron en algunos tratamientos como el control con agua destilada y fotocatálisis. Para los primeros el incremento se relacionó con el crecimiento normal de la población y con un fenómeno de percolación o escorrentía del agua a través del material vegetal hasta llegar al suelo que determinó la obtención de los recuentos más altos en el suelo. Un mecanismo similar se pudo presentar en el tratamiento fotocatalítico en el cual se recuperaron coliformes a los 30 dias del tratamiento. Estos microorganismos nuevamente provenían del material vegetal y no fueron aportados por el agua pos tratada. Finalmente, el uso de fotocatálisis heterogénea con TiO₂ fue un método efectivo para la inactivación de coliformes y E. coli, siendo una alternativa para el tratamiento complementario de aguas residuales domésticas de tal manera que puedan usarse con fines agrícolas.

Conclusiones

Se encontró que la combinación de sistemas biológicos y métodos no convencionales como la fotocatálisis heterogénea con TiO₂ para tratar aguas residuales domésticas resulta altamente eficiente en la eliminación de microorganismos como E. coli, en comparación con métodos químicos como hipoclorito de sodio, reduciendo así el riesgo de contaminación de plantas de lechuga (Lactuca Sativa var Batavia) con bacterias entéricas.

Agradecimientos

Los investigadores agradecen al Dr. Ciro Falcony Guajardo y a las Maestras Ana Bertha Soto Guzmán y Marcela Guerrero Cruz del Centro de Investigaciones y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional CINVESTAV-IPN México D.F., por su colaboración en los servicios de microscopía electrónica de barrido y difracción de rayos X.

Financiación

Este trabajo fue financiado con recursos de la oficina de Fomento a la Investigación de la Vicerrectoría Académica de la Pontificia Universidad Javeriana. Proyecto número 3404.

Conflicto de intereses

Los autores afirman no tener conflicto de intereses.

Referencias

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