Eliminación de patógenos del agua

Hace tiempo que se reconoce la necesidad de eliminar los patógenos de los suministros de agua potable. En este artículo, se describen las características de los grupos de patógenos junto con una descripción general de los enfoques utilizados para eliminar o desactivar los patógenos del agua. También se consideran la efectividad de estos enfoques y cualquier inconveniente significativo.

En este artículo, describimos las características de los grupos de patógenos y brindamos una descripción general de los enfoques utilizados para eliminar o desactivar patógenos del agua, resumiendo la efectividad de estos enfoques y destacando sus importantes inconvenientes. Nos enfocamos en particular en la efectividad de las tecnologías modernas mejoradas para la eliminación de patógenos, incluida la filtración por membrana, que ahora se está adoptando por múltiples razones en todo el mundo. Examinamos la eficacia de la filtración para la eliminación de patógenos de las aguas residuales y para el suministro de agua potable.

Los patógenos, organismos biológicos microscópicos capaces de causar enfermedades, incluyen virus (que comprenden ADN o ARN con una cubierta proteica), bacterias (organismos unicelulares), protozoos (también unicelulares, pero con un núcleo definido delimitado por una membrana) y toxinas liberadas por algas (especies unicelulares o multicelulares fotosintéticas acuáticas).

Los efectos nocivos de los patógenos van desde enfermedades agudas leves, enfermedades crónicas graves hasta la muerte. Importante a través del agua (transmisión a través del consumo de agua contaminada), agua de lavado (donde la calidad del agua de limpieza utilizada es de menor consideración en sí misma actúa como una fuente de patógenos) y a base de agua (el patógeno o un huésped intermediario pasa parte de su vida- ciclo en el agua) las enfermedades matan a millones anualmente. La Organización Mundial de la Salud (OMS) afirma que 2,16 millones de personas murieron de enfermedades diarreicas en todo el mundo en 2004, más del 80% de las cuales procedían de países de bajos ingresos. El cólera, la giardiasis, la hepatitis infecciosa, la fiebre tifoidea, las disenterías amibianas y bacilares y la bilharzia son algunas de las enfermedades más comunes responsables.

Con mucho, la ruta de transmisión más común es la ruta de consumo oral de patógenos, derivados de heces u orina humana que residen en agua contaminada, incluida el agua de limpieza/lavado. Aunque muchos patógenos pueden vivir por poco tiempo fuera del cuerpo humano, la transmisión a través del agua de quistes y ooquistes bacterianos resistentes, junto con el transporte directo de patógenos, es un mecanismo de infección clave. Las heces y la orina de animales también albergan importantes especies patógenas (p. ej., leptospirosis), mientras que otros riesgos, en particular para el ganado, se derivan de la excreción de toxinas en el agua por parte de algas y otros microbios (p. ej., cianobacterias). En los últimos años, la posible contaminación patógena por el aumento de los lodos de aguas residuales esparcidos por el suelo ha requerido una mayor atención al tratamiento de los lodos para aliviar el riesgo.

Una gama de enfoques de tratamiento de agua puede mejorar la seguridad del agua potable con respecto a la contaminación patógena. La eficacia del tratamiento se mide ampliamente utilizando el valor de eliminación logarítmica (LRV):

LRV=log10(Cin/Cout)

Donde Cin es la concentración de patógenos afluentes y Cout es la concentración de patógenos efluentes.

Por lo tanto, para un patógeno determinado, el LRV 2 refleja una eliminación del 99 %, mientras que el LRV 4 refleja una eliminación del 99,99 %.

La importancia del tratamiento efectivo de patógenos, particularmente para ciertos patógenos indicadores con una dosis infectiva baja, se refleja en los altos estándares de calidad establecidos en el mundo industrializado. Las Regulaciones de Suministro de Agua (Calidad del Agua) del Reino Unido (2000), en sí mismas una implementación nacional de la Directiva Europea de Agua Potable, requieren una concentración cero de E. Coli y enterococos y ningún cambio anormal en las colonias microbianas cultivables en el agua de los grifos de los usuarios, mientras que las Las Regulaciones Primarias de Agua Potable adoptan niveles de concentración máxima cero para Cryptosporidium, Giardia lamblia y coliformes totales.

El tratamiento de patógenos se aborda de dos maneras: procesos de eliminación y/o procesos de inactivación (desinfección). Idealmente, estos procesos forman parte de una estrategia de tratamiento global de "barreras múltiples" que garantiza la protección de la fuente de agua (utilizando agua de la mejor calidad inicial posible), seguida de la eliminación adecuada de patógenos, la desinfección posterior y las estrategias finales de protección contra la contaminación del agua. sistema de distribución.

Los procesos de eliminación utilizan tecnologías de larga data y tratamientos más modernos. Convencionalmente, el pretratamiento a través de filtros gruesos (por ejemplo, grava, arena) u otros medios reduce la turbidez bruta (las poblaciones de patógenos suelen tener un alto contenido de partículas), siendo especialmente eficaz para reducir las concentraciones de algas y protozoos (LRV 2-3 es fácilmente alcanzable). El simple asentamiento en reservorios de almacenamiento o a través de la filtración de bancos también puede proporcionar la eliminación primaria de patógenos. El almacenamiento no solo permite el asentamiento, sino que también da tiempo para que las bacterias y los virus mueran fuera de su entorno de acogida. Sin embargo, estos sistemas de tratamiento simples rara vez son suficientes por sí mismos para cumplir con los altos estándares de eliminación de patógenos requeridos para una protección efectiva de la salud.

El pretratamiento a menudo se complementa con un tratamiento de clarificación mejorado mediante floculación o coagulación y posterior sedimentación. Los sistemas optimizados pueden lograr LRV de 1 a 2 para virus, bacterias y protozoos. Sin embargo, la experiencia en todo el mundo ha demostrado que mantener condiciones óptimas es difícil y esto puede conducir a eficiencias de eliminación de patógenos muy variables. Por ejemplo, la coagulación eficaz se basa en la dosificación y mezcla precisas de cargas de afluentes a menudo muy variables y en la eliminación de lodos eficaz y bien controlada. Además, la eliminación del virus puede variar significativamente según la especie, y el grado de variación (hasta LRV 2) también está influenciado por el tipo de coagulante. Los LRV más altos para los principales grupos de patógenos generalmente se logran utilizando clarificadores de alta tasa, aunque se requiere el debido cuidado en áreas problemáticas con la eliminación de algas, para no alterar las células de algas y permitir la liberación de toxinas. La flotación con aire disuelto es una alternativa adecuada para la eliminación de algas (LRV 1 a 2 para muchas especies), y también es un método eficaz para la eliminación de ooquistes de Cryptosporidium (LRV 2 a 2,6). La eliminación de patógenos mediante filtración se analiza en detalle a continuación.

La desinfección (inactivación) de patógenos es el segundo enfoque importante. En líneas generales, se utilizan tratamientos oxidativos, térmicos o UV; la oxidación reacciona con la estructura orgánica del patógeno, el calor mata a los patógenos al exceder las tolerancias térmicas, mientras que los rayos UV alteran el material genético celular a través de un mecanismo que finalmente restringe la replicación.

La efectividad de la desinfección oxidativa es específica de la especie y generalmente sigue una relación tiempo-dosis de contacto bajo condiciones fijas. Muchos oxidantes se basan en cloro (p. ej., cloro gaseoso, monocloramina, hipoclorito de sodio, dióxido de cloro), mientras que el ozono es una de varias alternativas. Aunque la discusión detallada está más allá del alcance de este artículo, las eficiencias de desinfección (generalmente expresadas como productos de dosis de tiempo requeridos para afectar un LRV dado) pueden variar significativamente entre los oxidantes y están influenciadas por la turbidez del agua, el pH y la temperatura. Las consideraciones adicionales para los operadores que eligen oxidantes adecuados incluyen la resistencia de la planta y la seguridad del personal expuesto a estas sustancias corrosivas peligrosas, las cantidades requeridas y las características asociadas de almacenamiento y estabilidad de los oxidantes.

Hasta el momento, la discusión se ha centrado en los requisitos de agua potable donde se requieren eficiencias de tratamiento de patógenos muy altas. En otras circunstancias, la eliminación de patógenos de menor grado puede ser suficiente, por ejemplo, cuando el objetivo es proteger los entornos sensibles de la contaminación por patógenos, confiando en la autopurificación ambiental posterior para completar el proceso. Por ejemplo, cuando los efluentes se descarguen en áreas designadas por la Directiva Europea de Aguas de Baño (2006/07/EC) y la clasificación dependa de las concentraciones ambientales medidas de E. Coli y enterococos, los operadores de tratamiento de aguas residuales pueden verse obligados a limitar la descarga de patógenos a aguas superficiales Los requisitos pueden diferir entre las liberaciones a aguas interiores o costeras. Del mismo modo, la nueva Directiva codificada sobre aguas (de cultivo) de moluscos (2006/113/EC) establece pautas para las concentraciones aceptables de coliformes en los moluscos recolectados dentro de las áreas designadas. En otros lugares, la USEPA ha actualizado las pautas para las reglas de tratamiento mejorado de aguas superficiales, siendo un objetivo clave la protección de los suministros de aguas subterráneas contra la contaminación patógena de las aguas superficiales que se filtran. En estos casos, los operadores deben evaluar sus sistemas de tratamiento con respecto a la eficiencia de eliminación de patógenos en caso de que su afluente esté contaminado.

La grava y la filtración lenta con arena pueden ser las únicas tecnologías rentables para lograr la eliminación de patógenos en algunas circunstancias. Según las tasas de flujo, el tamaño y la uniformidad del medio y la profundidad del lecho del filtro, estos sistemas pueden ser muy efectivos (Figura 1). Se han informado LRV de amplio rango de hasta 5 en pruebas, mientras que la experiencia operativa en los EE. UU. demuestra LRV de coliformes totales de hasta 2.3 y una eliminación muy efectiva de Giardia (LRV aprox. 4) mediante filtros de arena, particularmente después del establecimiento de películas microbiológicas en los medios de comunicación. Sin embargo, las capacidades de tratamiento pueden ser bajas y las eficiencias de eliminación de patógenos pueden ser muy variables; En general, se ha demostrado que la eliminación de Cryptosporidium en particular es relativamente pobre (LRV a menudo < 0,5).

Los sistemas de tratamiento de bajo costo son capaces de eliminar eficazmente los patógenos si se construyen correctamente. Los estudios en varias plantas de tratamiento pequeñas en España y las Islas Canarias (Proyecto de Mejora de las Aguas Costeras y Recreativas, ICREW) demuestran que dichas plantas tienen la capacidad de cumplir con los requisitos microbiológicos de las Directivas de Aguas de Baño y Aguas Residuales Urbanas (71/271/EEC) utilizando diversas tecnologías convencionales (por ejemplo, aireación extendida, contactor biológico giratorio, filtro percolador) y no convencionales (estanques de estabilización, filtros de turba, estanques anaeróbicos más filtro percolador).

En los EE. UU., aproximadamente el 25 % de la población utiliza algún tipo de sistema de tratamiento de agua in situ, pero la contaminación patógena puede ser problemática. Los sistemas de tratamiento in situ convencionales generalmente funcionan por desplazamiento por gravedad con movimiento de flujo pistón a través del sistema de tratamiento. Pueden surgir problemas en condiciones de flujo máximo que resulten en una eficiencia de tratamiento deficiente, potencialmente exacerbada por fallas en la integridad del tanque o de la tubería, especialmente cuando se ubican en un acuífero no confinado. Las tecnologías mejoradas de tratamiento in situ incorporan sistemas de dosificación por tiempo que estabilizan el tiempo de retención hidráulica y luego emplean una variedad de medios filtrantes (por ejemplo, arena, turba, textiles). Donde se han instalado sistemas de tratamiento avanzados a pequeña escala, también están disponibles pequeñas unidades de desinfección UV para lograr un tratamiento de alta calidad.

La filtración por membrana se ha generalizado tanto en las plantas de tratamiento de agua de nueva construcción como en las plantas ya existentes. La filtración por membrana ha cobrado prominencia como un enfoque viable de tratamiento de aguas residuales durante la última década a medida que los desarrollos tecnológicos han mejorado la robustez de la membrana, la confiabilidad del sistema y la rentabilidad. En muchos casos, el objetivo principal de un sistema de filtración por membrana es eliminar los sólidos en suspensión y la demanda química de oxígeno (DQO) para cumplir con los estrictos permisos de descarga. La capacidad de exclusión por tamaño de las membranas de microfiltración (MF) y ultrafiltración (UF) muestra el potencial para la eliminación simultánea de patógenos (Figura 2).

MF elimina eficazmente algas, protozoos y muchas bacterias (p. ej., LRV entre 4 y 7 para Giardia y Cryptosporidium con una membrana de 0,1 μm), en particular en condiciones de prueba, pero generalmente funciona menos bien en condiciones operativas a menos que las membranas se limpien de manera eficiente del crecimiento bacteriano. La eliminación de virus por MF es pobre, aunque puede ser mejor de lo previsto a partir de consideraciones simples del tamaño de los poros si las especies de virus están fuertemente asociadas con partículas. En consecuencia, para la eliminación efectiva de virus normalmente se requiere UF. La eliminación de virus por UF es más eficiente con membranas de corte de peso molecular más bajo, ya que el mecanismo de eliminación clave es la exclusión física (la influencia de la composición del microfilm es secundaria). Es importante destacar que la eficiencia de eliminación de patógenos es independiente de la calidad del afluente y otros parámetros operativos, y se encuentra fácilmente en el rango de LRV 4 a 7 para los patógenos clave.

La filtración por membrana que utiliza UF puede eliminar eficazmente los patógenos en el grado más alto que se logra con la desinfección química oxidativa, y no presenta los problemas y costos asociados de almacenamiento y uso de agentes corrosivos. Sin embargo, surgen problemas significativos si falla la integridad de la membrana (las fibras se rompen, la membrana se raya, etc.) ya que la eficiencia de eliminación de patógenos puede deteriorarse drásticamente. El desarrollo de materiales de membrana robustos supera este problema, pero el monitoreo efectivo de efluentes para identificar problemas de integridad sigue siendo un componente esencial de un sistema de tratamiento de MF/UF. Se han utilizado con éxito métodos de prueba de integridad directos (p. ej., pruebas de presión) o indirectos (p. ej., control de partículas). Para el suministro de agua potable, la desinfección posterior a la membrana sigue siendo necesaria para lograr una desinfección secundaria.

En aplicaciones de suministro de alta calidad, la nanofiltración (NF) o la ósmosis inversa (RO) junto con la desinfección UV están bien establecidas. Normalmente, se usa el pretratamiento MF/UF, con desinfección oxidativa comúnmente empleada para restringir el establecimiento de biopelículas en la membrana NF/RO. La luz UV-B o UV-C es mejor para la inactivación de patógenos (200-310 nm) con dosis de alrededor de 30 mWscm-2 adecuadas para todos los virus excepto los más resistentes.

El tratamiento del agua para patógenos utiliza procesos de eliminación e inactivación de patógenos. Una variedad de tecnologías, muchas de ellas bien establecidas, pueden lograr una estrategia general de eliminación de patógenos adecuada para su propósito. Para aplicaciones de agua potable, las mayores eficiencias de eliminación generalmente se buscan utilizando un enfoque de múltiples barreras. La filtración de medios simple puede formar parte exitosa de esta estrategia si se implementa y mantiene adecuadamente, aunque las tecnologías modernas de UF u RO ofrecen una alternativa sólida; aún se requiere la inactivación para establecer y mantener la desinfección. Para aplicaciones de descarga de aguas residuales más generales, MF o UF son enfoques viables para la eliminación efectiva de patógenos junto con otros objetivos de tratamiento de agua.