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Red de Comunicación e Integración Biomédica Red CIB
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ
INSTITUTO DE CIENCIAS BIOMÉDICAS
PROGRAMA DE QUÍMICA
TESIS
LICENCIATURA EN QUÍMICA
CUANTIFICACIÓN DE SALMONELLA SPP. DURANTE EL
PROCESO DE SECADO SOLAR DE LODOS GENERADOS EN
PLANTAS TRATADORAS DE AGUAS RESIDUALES
POR
JUAN GILBERTO LARES MENA
DRA. ALMA DELIA COTA (DIRECTORA DE TESIS)
CD. JUÁREZ, CHIH. DICIEMBRE 2007 ✣ Autor de correspondencia
1
CUANTIFICACIÓN DE SALMONELLA SPP. DURANTE EL
PROCESO DE SECADO SOLAR DE LODOS GENERADOS EN
PLANTAS TRATADORAS DE AGUAS RESIDUALES
POR
JUAN GILBERTO LARES MENA
TESIS
_____________________________________________________ DRA. ALMA DELIA COTA ESPERICUETA DIRECTORA DE INVESTIGACIÓN _____________________________________________________ M.C. KATYA AIMEÉ CARRASCO URRUTIA COORDINADORA DEL PROGRAMA DE QUÍMICA _____________________________________________________ DR. GILBERTO REYES LEAL JEFE DEL DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS _____________________________________________________ M.C. HUGO SALVADOR STAINES OROZCO DIRECTOR DEL INSTITUTO DE CIENCIAS BIOMÉDICAS
FECHA:____________________________________
2
DEDICATORIA
A mi Dios, familia y amigos que dieron tiempo, esfuerzo y otras
cosas para que se lograse esta hazaña......
3
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a :
Por apoyo
• Dra. Alma Delia Cota E. Por el impulso y el apoyo desde siempre.
• Mtro. Francisco Vázquez por sus asesorías en la implementación de la técnica
microbiológica.
• María Eugenia Garnica G. y Adalberto Vargas M. por su ayuda y el
entusiasmo en aprender las técnicas.
• Cynthia Figueroa H,, Diego Fayett O.,Edgar Espinoza, y Claudia Avitia por
formar un gran equipo de ayuda mutua.
Por financiamiento
• ICB por su apoyo en la construcción del dispositivo experimental.
• PROMEP por financiar los reactivos.
• JMAS y PTAR zona Norte por facilitar el material de experimentación.
4
RESUMEN
Dado que el agua es un recurso vital, se hace incapié en su ahorro y reuso.
Debido a esto, cada vez son mas las plantas tratadoras de aguas residuales
que se ponen en operación alrededor del mundo. Estas plantas tratadoras
aparte de producir agua de reuso, generan una gran cantidad de lodos que
por su contenido de elementos nutritivos para el suelo les confiere un valor
como biosólido; aunque por otro lado, contienen una cantidad elevada de
humedad y contaminantes de tipo orgánico, inorgánico y microorganismos
patógenos. Con el fin de disminuir el volumen del lodo y eliminar tales
microorganismos, en la presente investigación se utilizó un secador solar
piloto tipo invernadero equipado con dispositivos de monitoreo y control
automático. En el secador se procesaron lodos de la Planta Tratadora de
Aguas Residuales Norte de Ciudad Juárez, Chih. y durante el secado se
cuantificó Salmonella spp., el cual es un indicador de contaminación patógena
según la norma NOM-004-SEMARNAT-2002. La técnica de análisis fue
adoptada de acuerdo a los lineamientos de dicha NOM. Al finalizar del
proceso de secado solar, se encontró una disminución de Salmonella spp. del
99.9999%, desde valores en el orden de 1013 hasta 102. Con respecto a la
disminución de humedad en el lodo, se verificó la efectividad del dispositivo al
reducirla hasta en un 98%.
5
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN 4
TABLA DE CONTENIDO 5
LISTA DE TABLAS 6
LISTA DE FIGURAS 7
INTRODUCCIÓN 8
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN AL SECADO SOLAR DE LODOS RESIDUALES DE PTAR 10 1.1. ANTECEDENTES 10
1.1.1. PROBLEMÁTICA DEL AGUA 10 1.1.2. PRODUCCIÓN DE LODOS EN PTAR 10 1.1.3. PROBLEMÁTICA DE LODOS RESIDUALES 11 1.1.4. ALTERNATIVAS PARA EL APROVECHAMIENTO DE LOS LODOS RESIDUALES 13 1.1.5. SECADOR SOLAR DE LODOS RESIDUALES 13 1.1.6. CARACTERIZACIÓN MICROBIOLÓGICA DE LODOS RESIDUALES 14 1.1.7. BIOSÓLIDOS 15 1.1.8. DESCRIPCIÓN DE SALMONELLA 17
1.2. HIPÓTESIS 18 1.3. OBJETIVO DE INVESTIGACIÓN 18
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS 20 2.1. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL DE SECADO SOLAR 20 2.2. REACTIVOS: MEDIOS DE CULTIVO Y SOLUCIONES 21 2.3. MÉTODOLOGÍA 22
2.3.1. MUESTREO 22 2.3.2. DETERMINACIÓN DE SÓLIDOS TOTALES 23 2.3.3. MÉTODO DEL NÚMERO MÁS PROBABLE 24 2.3.4. ENRIQUECIMIENTO 24 2.3.5. PREPARACIÓN DE DILUCIONES 25 2.3.6. AISLAMIENTO E IDENTIFICACIÓN BIOQUÍMICA DE SALMONELLA SPP 26 2.3.7. PH DE LODOS 27
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 28 3.1. CONFIRMACIÓN DE SALMONELLA SPP POR PRUEBA BIOQUÍMICA 28 3.2. REDUCCIÓN DE VOLUMEN Y SALMONELLA SPP. DURANTE EL SECADO SOLAR 28 3.3. RADIACIÓN SOLAR DURANTE EL SECADO DE LODOS 31 3.4. PH DE LODOS 32 3.5. EFECTO COMBINADO DE LAS VARIABLES DEL PROCESO 33
CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 35 4.1. CONCLUSIONES 35 4.2. RECOMENDACIONES 36 4.3. PLAN DE DIFUSIÓN 36
LITERATURA CITADA 37
ANEXO II 42
ANEXO III 45
6
LISTA DE TABLAS
TABLA I. CLASIFICACIÓN DE BIOSÓLIDOS RESPECTO A LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES DE METALES
PESADOS, PARÁSITOS Y PATÓGENOS. ADAPTADA DE LA NOM-004-SEMARNAT-2002. 16
TABLA II. APROVECHAMIENTO DE BIOSÓLIDOS. ADAPTADA DE LA NOM-004-SEMARNAT-2002. 16
TABLA III. VALORES DE PH DURANTE EL PROCESO DE SECADO DE LOS LODOS EN LOS EXPERIMENTOS 1 Y 2. 33
TABLA IV. DATOS RESULTANTES EN EL EXPERIMENTO 1 PARA EL LODO EN EL SSTI. 34
TABLA V. DATOS RESULTANTES EN EL EXPERIMENTO 2 PARA EL LODO EN EL SSTI. 34
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LISTA DE FIGURAS
FIGURE 1. USO Y DISPOSICIÓN FINAL DE LODOS EN LA UNIÓN EUROPEA EN 1996 (VEGA Y
PAPAMELETIOU, 2005). 12
FIGURE 2. LA SALMONELLA EN FORMA BACILAR (ARRIBA) O CON FLAGELOS PERÍTRICOS. (FOTOS PÚBLICAS TOMADAS DE LA PÁGINA WEB DEL CENTRO DE COLABORACIÓN E INVESTIGACIÓN DE SALMONELLA, PAULINE Y WALKMAN, 2005). 17
FIGURE 3. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL Y ESQUEMA DEL PROCESO DE SECADO SOLAR DE LODOS. 22
FIGURE 4. CONCENTRACIÓN DE SALMONELLA SPP. Y CONTENIDO DE AGUA EN EL LODO DENTRO DEL SECADOR CONFORME TRANSCURRIÓ EL EXPERIMENTO 1. 30
FIGURE 5. CONCENTRACIÓN DE SALMONELLA SPP. Y CONTENIDO DE AGUA EN EL LODO DENTRO DEL SECADOR CONFORME TRANSCURRIÓ EL EXPERIMENTO 2. 30
FIGURE 6. RADIACIÓN SOLAR DURANTE EL SECADO DE LODOS EN EL SSTI. 32
8
INTRODUCCIÓN
El desarrollo de los países depende directamente de la disponibilidad de agua. Por
lo general, el agua abastecida a las grandes ciudades es extraída de los mantos
subterráneos; y dicha demanda va en aumento con el aumento de la población y
la industrialización. Como ejemplo de los esfuerzos que hacen los gobiernos para
encontrar y apoyar soluciones a este problema, se ha publicado que la República
Popular de China ha invertido 41 billones de dólares en el año 2006 para proveer
de agua potable a grandes poblaciones de su territorio durante el periodo 2007-
2011 (Brostow et al., 2007). Para frenar la sobreexplotación de los mantos
acuíferos y mayor aprovechamiento de los recursos, se han implementado las
Plantas Tratadoras de Aguas Residuales (PTAR). En México, la Secretaría de
Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) ha reportado que en el año
1991 el número de plantas era de 361 y que para el 2004 ya existían 1401 plantas.
En lo particular, en Ciudad Juárez Chih., la implementación de las PTAR se ha
reflejado en el cambio del paisaje, pues ahora ya se puede disponer de agua para
regar parques públicos y también se puede disponer de gran cantidad de agua
para regar parte del Valle de Juárez. Esto permite en gran manera que el manto
del Bolsón del Hueco, principal abastecedor de agua potable en la ciudad sufra un
abatimiento más lento.
Sin embargo, un problema ambiental es derivado de la operación de las PTAR, ya
que no sólo producen agua de reúso, sino también generan grandes cantidades
de lodos residuales. Extraoficialmente se reporta que tan solo la planta Norte de
Ciudad Juárez produce 135 toneladas diarias de lodo, el cual es transportado
hacia las afueras de la ciudad, lejos de la población para evitar posibles
contaminaciones y quejas por los malos olores que despiden.
La problemática de los lodos residuales está directamente asociada a la gran
cantidad de humedad que poseen al salir de la PTAR y también con la
contaminación que producen hacia el medio ambiente. Por un lado hay un gran
gasto económico para la disposición final de los grandes volúmenes generados,
9
porque se requiere personal y todo lo relacionado con el transporte y acomodo del
lodo; por otro, lado se debe buscar la manera de que los vectores (insectos, aves,
roedores, etc.,) no diseminen microorganismos patógenos hacia lugares donde
haya personas. Así mismo, también se debe cuidar que los lixiviados de los lodos
no lleguen a los mantos de agua subterránea para contaminarla.
Es de crucial importancia implementar tecnología disponible adecuada y también
desarrollar nuevas tecnologías para dar un uso benéfico a los lodos residuales
para evitar su acumulación y consecuencias.
10
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN AL SECADO SOLAR DE
LODOS RESIDUALES DE PTAR
1.1. Antecedentes
1.1.1. Problemática del agua
El agua es un recurso natural indispensable para la vida y por ello, el desarrollo de
las naciones está íntimamente ligado a la disponibilidad de éste. El agua es tan
apreciada que las campañas para el ahorro y reuso del agua se han vuelto
permanentes. Tan solo es necesario ver los ecosistemas en el desierto y
enseguida se nota la escasez de organismos en comparación con las zonas
tropicales que están llenas de vida. Todos los gobiernos se esfuerzan
constantemente para resolver el problema o mejorar los sistemas de
abastecimiento de agua potable. En el año 2006, el Gobierno de la República
Popular de China decidió invertir 41 billones de dólares en purificación de agua
para las áreas urbanas entre 2007 y 2011 (Brostow et al., 2007).
1.1.2. Producción de lodos en PTAR
Las diferentes actividades productivas y domésticas producen grandes cantidades
de aguas residuales, las cuales contienen una diversidad amplia de
contaminantes. Estas aguas deben ser procesadas en las PTAR para su reuso o
disposición con una calidad mayor. La calidad se mejora al eliminar los
contaminantes. Dichos contaminantes son eliminados en diferentes puntos del
proceso en forma de lodos, siendo éstos un concentrado de los compuestos más
dañinos que constituyen dichas aguas (Guzmán y Campos, 2004).
Los residuos de las PTAR normalmente son generados en diversas fases: sólidos-
líquidos, líquidos y gaseosos. Los lodos son productos en fase sólido-líquido, y
tanto la cantidad como las características del mismo varían de acuerdo al sistema
de tratamiento del agua residual (Anexo I).
11
La generación de lodo en las PTAR, como ya se mencionó, ocurre en distintas
etapas de tratamiento del agua residual. En algunas etapas éste es generado
deliberadamente acudiendo a una sedimentación inicial para reducir el contenido
de sólidos en suspensión del agua residual, o debido a una precipitación inducida
químicamente mediante la adición de sales metálicas hidrolizadas o polímeros
orgánicos sintéticos, para eliminar componentes tóxicos no deseados. Cuando la
tecnología de la PTAR incluye un tratamiento biológico con el objetivo de eliminar
la mayor parte de la carga de contaminación orgánica del agua residual, el lodo es
generado consecuencia de la oxidación y de la muerte y regeneración cíclicas de
la biomasa que efectúa el tratamiento (Arundel, 2000).
1.1.3. Problemática de lodos residuales
Los lodos generados en las PTAR contribuyen a la problemática ambiental de los
países. En la Unión Europea se calculó una producción de 6.5 millones de
toneladas por año y se vaticinó una producción en el rango de 7.6 a 8.9 millones
de toneladas en base sólida anuales (Mohamud et al., 1996). La Figura 1 muestra
la disposición final de lodos en la Unión Europea.
Diariamente, se vierten grandes cantidades de lodos residuales al mar, a pesar de
que en muchos países ya se ha prohibido esta práctica por la contaminación
provocada en la ecología del medio ambiente global (Vega y Papameletiou, 2005;
Mohamud et al., 1996). En México, el problema del manejo de lodos crece con la
población, de tal manera que en ciudades grandes la producción de lodos llega a
ser más de 80 000 ton al año. Además, la disposición de los lodos representa más
del 40% del costo global del tratamiento de las aguas residuales (Mohamud et al.,
1996).
En Ciudad Juárez, Chih., la fuente de abastecimiento de agua potable es el Bolsón
del Hueco. En la década pasada, el balance hidrológico resultó con una recarga
total de 95 929 665 m3/año y una salida de 95 777 325 m3/ año, y se calculó que
para el año 2020 la demanda será de 358 564 320 m3/año (Salas, 2005). Por otro
lado, la tasa de crecimiento anual de Ciudad Juárez de 1995 al 2000 fue del 5.3%
equivalente a 50 000 nuevos habitantes cada año (Aspectos de Ciudad Juárez,
12
2006). De acuerdo a la Junta Municipal de Agua y Saneamiento de Ciudad Juárez,
el incremento en la generación de lodos fue de 165 hasta 250 ton/día del 2002 al
2003.
Figure 1. USO Y DISPOSICIÓN FINAL DE LODOS EN LA UNIÓN EUROPEA EN 1996 (VEGA Y PAPAMELETIOU, 2005).
Durante algún tiempo, los lodos producidos en las PTAR de esta Ciudad fueron
esparcidos en predios de las plantas para su secado a la intemperie. De estas
prácticas se derivaron problemas varios del tipo ambiental tales como 1) el
problema local e internacional por los malos olores; 2) enfermedades de la
población aludidas a los lodos acumulados en los terrenos de las PTAR; 3) falta de
espacio para colocar los lodos mientras adquieren el secado necesario para poder
ser trasladados hacia su destino final; y 4) la posible contaminación por lixiviación
hacia las aguas subterráneas (Vega y Papameletiou, 2005). Actualmente, los
lodos son vertidos las afueras de la ciudad para su secado a la intemperie.
Figueroa, 2007, presenta una relatoría referente a la problemática de disposición
de lodos residuales reportada por PROFEPA-Ciudad Juárez; además de una
investigación de la queja social por las diversas afectaciones hacia el medio
ambiente y a la salud de la población.
13
1.1.4. Alternativas para el aprovechamiento de los lodos residuales
Mundialmente se han estudiado diversas alternativas para aprovechar los lodos de
las PTAR y aún se continúa investigando, con el objetivo de disminuir la
acumulación y la mala disposición de los mismos. Dentro de las alternativas para
el aprovechamiento de éstos se pueden encontrar entre muchas otras: fabricación
de cerámicas (Toya et al., 2006); obtención de lodos preparativos para composteo
y producción de biogás y electricidad (Vega y Papameletiou, 2005); adición a la
composta para su uso como fertilizante de tierras de cultivo y mejoramiento de
suelos, obtención de fertilizantes para parques y jardines (Ronald y Bartha, 2002);
así también en la adición al hormigón del cemento Portland (Valls y Vázquez,
2001). Muchos de estos procesos requieren de un lodo con cierto grado de
humedad y de cierto estándar en cuanto a contaminantes. En varios países, las
características adecuadas de los lodos para su utilización están reguladas a través
de normas. El aprovechamiento de los lodos podría compensar algunos costos del
manejo y disposición obligatorio de los mismos. Los métodos disponibles para
tratar los lodos por lo general requieren una inversión alta, un largo tiempo de
permanencia en el equipo o grandes cantidades de combustible para la
incineración. Entre dichos procesos se pueden mencionar la utilización de
secadores por incineración a altas temperaturas (Vega y Papameletiou, 2005), las
máquinas rotativas para lodos y sistemas de conversión anaeróbica (Fukushi et
al., 2003; Ronald y Bartha, 2002).
1.1.5. Secador solar de lodos residuales
Una alternativa económica para el tratamiento térmico de los lodos, es la
utilización de secadores solares. Las ventajas de estos sistemas es que no
requieren de personal especializado y los costos de energía son nulos, ya que se
utiliza al sol como energético (Cota, 2006; Luboschik, 1999).
La implementación de un Secador Solar Tipo Invernadero (SSTI) en Ciudad
Juárez podría ser una opción atractiva para el procesamiento de lodos, ya que en
la actualidad, no se cuenta con tecnologías de reducción de volumen adecuadas
debido a los altos costos que representan. Las prácticas actuales consisten en el
14
secado a la interperie, lo cual crea problemas ambientales como malos olores,
atracción de vectores, diseminación de contaminantes patógenos y lixiviación de
contaminantes hacia el subsuelo.
Según estudios realizados en cuanto a sistemas solares de secado tipo
invernadero se ha concluido que son hasta cinco veces más eficientes en la
remoción de agua que el secado tradicional a la intemperie (Luboschik, 1999). En
lo referente a salud pública, el secado de los lodos producidos en las PTAR
utilizando un SSTI ofrece una reducción de infecciones por microorganismos
patógenos, dado que el proceso de secado elimina la mayor parte de éstos en un
tiempo menor que el secado al aire libre (Ronald y Bartha, 2002). También se
elimina la invasión por vectores como hongos, insectos, roedores y aves los
cuales pudieran diseminar material contaminante, debido a que es una cámara
cerrada y esto permite que los lodos no estén al alcance de estos organismos. En
cuanto al espacio y al tiempo, el SSTI requiere una pequeña área de tierra para
trabajar comparada con la necesaria para extender al sol las grandes cantidades
de lodos que se producen diariamente, y también un tiempo mucho menor para
secar los lodos (Cofie y Agbottah, 2006; Luboschik 1999). En términos de
operación efectiva el uso del SSTI hacen que sea importante en lugares donde el
clima es muy húmedo, donde por lo regular hay gran cantidad de lluvia y sería
inefectivo en gran manera el secado al aire libre. El mantenimiento que necesita
un SSTI es mínimo. En lo económico, la inversión inicial es menor en un SSTI que
cualquier otra tecnología de secado de lodos, además que se minimizan los costos
de operación ya que no es necesario un combustible.
1.1.6. Caracterización microbiológica de lodos residuales
Dado que los lodos procedentes de las PTAR pueden contener microorganismos
patógenos como bacterias, virus y parásitos (Gibbs et al., 1995), la caracterización
toxicológica de los mismos en cuanto a la población bacteriana que poseen se
vuelve importante. Es muy conocido que las aguas residuales domésticas pueden
contener altas concentraciones de microorganismos patógenos, los cuales son
concentrados en los lodos generados en las PTAR aún cuando hayan pasado por
15
algunos tratamientos aeróbicos que remueven gran parte de ellos (Sarampalliri, 1994).
Los patógenos son microorganismos causantes de enfermedades. Entre éstos se
incluyen bacterias, virus, protozoarios y lombrices parasitarias. Los patógenos
pueden presentar un riesgo público si son transferidos a plantas alimenticias que
han sido cultivadas en tierras donde se han aplicado biosólidos sin un tratamiento
adecuado previo. En este caso también los vectores, como insectos, roedores y
pájaros entre otros, pueden contribuir al riesgo por su capacidad de transporte de
patógenos. Por lo anterior, se han normatizado los requerimientos que deben
tener los biosólidos para su aplicación en tierras de cultivo.
1.1.7. Biosólidos
De acuerdo a la Norma Oficial Mexicana NOM-004-SEMARNAT-2002, los
biosólidos se definen como lodos provenientes de las PTAR, que por su contenido
en nutrientes y por sus propias características o por las adquiridas después de un
proceso de estabilización, pueden ser susceptibles de aprovecharse. Son varios
los beneficios obtenidos por la aplicación de bisólidos en suelo agrícola (Evanylo
1999):
• Reducción en costos de fertilizantes.
• Proporciona nutrientes esenciales que no contienen los fertilizantes
comerciales (S, Mg, Zn, Cu, Fe, Mb y Bo).
• Evitan la compactación.
• Incrementan la capacidad de retención e infiltración de agua en el suelo.
• Incrementan la capacidad del suelo de retener nutrientes.
• Se reduce la acidificación del suelo.
• Provee una fuente de energía para microorganismos benéficos.
• Es un método económico de disposición de lodos.
El uso de los biosólidos en actividades productivas depende directamente de su
calidad en términos de ciertos contaminantes. La norma mencionada
anteriormente es referida a lodos y biosólidos y presenta las especificaciones y
límites máximos permisibles de contaminantes para su aprovechamiento y
16
disposición final. En la Tabla I se presenta la clasificación de los biosólidos en
función de límites máximos permisibles de metales pesados, huevos de helminto,
salmonellas spp. y coliformes fecales; y en la Tabla II se presenta el uso de los
biosólidos tomando como referencia la clasificación mostrada en la Tabla I.
Tabla I. CLASIFICACIÓN DE BIOSÓLIDOS RESPECTO A LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES DE METALES PESADOS, PARÁSITOS Y PATÓGENOS. ADAPTADA DE LA NOM-004-SEMARNAT-2002.
Contaminante Clasificación Metales Pesados determinados en forma total
Excelente mg/kg en base seca
Bueno mg/kg en base seca
Arsénico 41 75
Cadmio 39 85
Cromo 1200 3000 Cobre 1500 4300 Plomo 300 840
Mercurio 17 57
Níquel 420 420
Zinc 2800 7500 Patógenos, NMP/g en base seca A B C Coliformes fecales < 1000 < 1000 < 2 000 000
Salmonella spp < 3 < 3 < 300 Parásitos Huevos de helminto/g en base seca A B C
Huevos de helminto < 1 < 10 < 35
Tabla II. APROVECHAMIENTO DE BIOSÓLIDOS. ADAPTADA DE LA NOM-004-SEMARNAT-2002.
Tipo Clase Aprovechamiento
Excelente A Usos urbanos con contacto público directo durante su aplicación y los establecidos para clase B y C
Excelente o bueno B Usos urbanos sin contacto público directo durante su aplicación y los establecidos para clase C
Excelente o bueno C Usos forestales, mejoramientos de suelos y usos agrícolas
17
1.1.8. Descripción de Salmonella
La bacteria Salmonella es un bacilo gram negativo que pertenece a la familia
Enterobacteriaceae. En la Figura 2 se muestra la Salmonella en sus formas bacilar
y con flagelos perítricos. Sólo el serotipo S. pullorum no presenta flagelos
perítricos (es inmóvil). Su clasificación, según el Centro para el Control de la
Enfermedad de Atlanta en Estados Unidos (CDCP), reconoce dos especies: S.
entérica y S bongori. La primera incluye 2443 serotipos y se divide en seis
subespecies: entérica, salamae, a. arizona, b. diarizonae, V. houtenae e índica. La
especie S. entérica es prácticamente la única relacionada con infecciones en el
hombre y animales de sangre caliente. La especie S. bongori incluye 20 serotipos.
Figure 2. LA SALMONELLA EN FORMA BACILAR (ARRIBA) O CON FLAGELOS PERÍTRICOS. (FOTOS PÚBLICAS TOMADAS DE LA PÁGINA WEB DEL CENTRO DE COLABORACIÓN E INVESTIGACIÓN DE
SALMONELLA, PAULINE Y WALKMAN, 2005). La salmonelosis es un problema de salud pública principalmente en los países en
desarrollo de Latinoamérica, Asia y África. Hasta el año 2003, se reportaron de
18
200 a 500 casos por cada 100 000 habitantes (Sánchez y Cardona, 2003). La
salmonelosis más encontrada en estos países es la fiebre tifoidea producida por
S.typhi entérica serovar y por S.paratyphi, la cual es una infección severa que
puede producir complicaciones (diarrea, calambres abdominales, fiebre, vómito y
malestar general) y muerte. En los países mencionados, la Salmonella non-typhi
produce también salmonelosis importantes. Existen dos cuadros clínicos
principales de infección por Salmonella: gastroenteritis, que es la forma más
común producida por un gran número de serotipos principalmente S. enteritidis y
S. typhimurium, y fiebre entérica que puede ser tifoidea, producida por S. typhi, y
paratifoidea, que es una forma leve de la enfermedad producida por S. paratyphi
A, B y C, los cuales sólo afectan al humano, hasta ahora el único reservorio
conocido. En algunos casos, la Salmonella puede producir bacteremia e
infecciones focales localizadas como osteomielitis. Aunque la exposición a esta
bacteria es frecuente (agua y alimentos contaminados), se requiere un inóculo de
106-108 bacterias para el desarrollo de la enfermedad sintomática; otros factores
como el tipo de cepa, el alimento consumido con la bacteria y el estado fisiológico
del hospedero, también favorecen o no el desarrollo de la enfermedad.
1.2. Hipótesis
Al finalizar el proceso de secado solar, la calidad del biosólido seco cumple los
límites máximos de Salmonella spp. regulados por la NOM 004-SEMARNAT-2002
para un biosólido del Tipo C donde el NMP/g en base seca de Salmonella spp es
menor de 300.
1.3. Objetivodeinvestigación
El objetivo general de este estudio es identificar y cuantificar Salmonella spp.
durante el secado solar de los lodos generados en las PTAR mediante técnicas
convencionales de microbiología. Para cumplir con este objetivo se deben cubrir
cronológicamente los siguientes objetivos específicos:
19
1. Iniciar la operación del dispositivo experimental de secado solar.
2. Estandarizar la técnica de tubos múltiples o número más probable (NMP)
para cuantificar Salmonella spp en lodos.
3. Analizar los patógenos en los lodos durante el proceso de secado solar.
20
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS
Los lodos residuales utilizados durante este estudio fueron obtenidos de la PTAR
Norte de Ciudad Juárez, gestionados a través de la Junta Municipal de Agua y
Saneamiento. Esta planta maneja un caudal promedio de 2500 L/s. El tratamiento
del agua residual consiste de un desbaste grueso, un desbaste fino, remoción de
arenas y grasas; para después ser enviada al proceso de floculación. Durante este
último, el agua es sometida a un proceso de desinfección con cloro y finalmente,
es dirigida hacia los plantíos del Valle de Juárez para su aprovechamiento. Por
otro lado, en el floculador, además de agua, también es obtenido un lodo crudo
como subproducto, el cual es enviado a un espesador para ser deshidratado por
medio de una filtración continua al presionar los lodos entre dos bandas. Después
de dicha operación, se agrega cal al lodo para eliminar los microorganismos
presentes.
2.1. Dispositivoexperimentaldesecadosolar
Para este estudio se construyo un secador solar tipo invernadero, para así
sustentar la potencialidad de éstos, como tratamiento térmico para la remoción de
agua y eliminación de las altas concentraciones de bacterias patógenas presentes
en lodos de las PTAR. La alta incidencia de radiación solar durante el año indica
que esta tecnología de energía alterna podría ser la opción económica y
técnicamente viable para mejorar los procesos actuales de manejo y disposición.
El secador solar consta de una estructura de hierro forjado con semejanza a una
casa de dos aguas, cuyas paredes están formadas por un material transparente a
la radiación solar. El dispositivo cuenta con un área de captación solar de 4.5 m2 y
está constituido por el lecho del material, los sistemas de ventilación y extracción;
sistemas automáticos de control y adquisición de datos y además, para facilitar el
muestreo, está provisto de seis ventanillas laterales.
21
La radiación solar ingresa al dispositivo secador a través de su cubierta
transparente; parte de dicha energía es absorbida por el lodo residual. Debido al
efecto invernadero, causado por la selección de materiales y la hermeticidad del
sistema, las temperaturas del lodo y del aire interno tienden a incrementarse. El
aumento de temperatura propicia la difusión del agua desde la superficie del lodo
hacia el aire contenido en la cámara. La presión de vapor en el aire se eleva
cuando aumenta la cantidad de agua contenida en éste. Para acelerar el secado
se debe impedir el equilibrio entre las presiones de vapor; por lo tanto, el aire debe
ser evacuado mediante un extractor. Entre más alejado se encuentre el aire de la
saturación, mayor es el potencial para el transporte de masa. Por otro lado, entre
más caliente se encuentre el sistema, el transporte de vapor es mayor. Para
homogenizar temperatura y humedad, el dispositivo cuenta con un sistema de
ventilación el cual se activa bajo condiciones preestablecidas. Cuando el sistema
se encuentra libre de humedad debido a la extracción, éste regresa a su estado de
sistema cerrado respecto a masa e inicia un nuevo ciclo de evaporación (Cota et
al., 2006). Los ventiladores y el extractor son activados cuando las diferencias de
temperaturas y humedades absolutas interna y externa de la cámara son mayores
o iguales a 10 °C para ventilación y 38 g de agua/kg de aire seco para extracción,
respectivamente. La Figura 3 muestra el dispositivo experimental y los procesos
térmicos implicados en el secado solar.
2.2. Reactivos:Mediosdecultivoysoluciones
Para la cuantificación de Salmonella spp. se utilizaron los siguientes medios de
cultivo y soluciones cuya composición y modo de preparación se encuentran en el
Anexo II: caldo de tetrationato (BD Bioxon Lote 3287805), caldo selenito cistina
(BD Disco Lote 5264016), agar verde brillante VB (BD Difco 7043032), agar
Salmonella Shigella SS (BD Disco Lote 6255238), agar nutritivo (BD Difco Lote
6206537), agar triple azúcar hierro TSI (BD Difco Lote 6361420), agar hierro lisina
LIA (BD Difco Lote 6226067), solución madre de tampón A, solución madre de
22
tampón B, solución tampón de fosfatos (agua de dilución), solución de hidróxido
de sodio 0.1 N, solución de hidróxido de sodio 1 N y una solución de yodo yoduro.
Figure 3. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL Y ESQUEMA DEL PROCESO DE SECADO SOLAR DE LODOS.
2.3. Métodología
La metodología utilizada para la cuantificación de Salmonella spp. es la propuesta
en el Anexo IV de la norma NOM-004-SEMARNAT-2002 referente a lodos y
biosólidos.
2.3.1. Muestreo
Durante la recolección, el manejo y el procesamiento de la muestra se utilizó
equipo de seguridad para evitar cualquier riesgo de infección. Entre el equipo de
seguridad utilizado se encuentran guantes de látex, overol protector para el
analista, lentes de seguridad y cubre bocas para evitar cualquier riesgo de
infección. El área de trabajo fue lavada y desinfectada, así como el material
utilizado por el analista, antes y después del ensayo.
Una muestra de 200 L de lodo se obtuvo de la PTAR Norte de Ciudad Juárez. La
muestra fue transportada en dos tambos de plástico de 100 L hasta el área de
secado experimental. Se registraron los tiempos de recolección y de inicio de la
operación del secado.
23
El muestreo fue realizado en seis puntos del lecho de secado para formar una
muestra compuesta de aproximadamente 1000 g. Para la toma de muestra, se
utilizaron una pala de plástico estéril, frascos de boca ancha de 1 L y cuando la
muestra estuvo muy seca se emplearon bolsas ziploc. Las muestras fueron
transportadas al Laboratorio de Ciencias Ambientales del ICB en una hielera. La
muestra fue refrigerada a 4oC antes de su procesamiento con un tiempo no mayor
de 48 horas.
Debido a que el proceso de secado solar es altamente dependiente de las
condiciones incontrolables del clima, y por otro lado, el análisis de Salmonella spp.
es costoso y requiere de largos tiempos de procesamiento, fue poco práctico
predeterminar los tiempos de muestreo. Dichos tiempos fueron el resultado de la
observación del clima para la optimización de recursos analíticos.
Todas las muestras fueron analizadas por triplicado para incrementar la certeza
del estudio como control estadístico. Se analizaron un total de 16 muestras,
correspondientes a dos experimentos: Temporada de lluvias 2007 y otoño 2007.
2.3.2. Determinación de sólidos totales
Una vez tomada la muestra, a ésta se le determinó el contenido de sólidos totales
(ST) antes de ser analizada. Treinta gramos de muestra fueron colocados en una
estufa a 105oC hasta lograr peso constante. El contenido de agua resultó de
calcular las diferencias entre los pesos de la muestra húmeda y la seca. De
acuerdo a la técnica de análisis, se requieren de 4 g de ST, los cuales son
calculados con la Ecuación 1.
Ecuación 1
Donde es la masa de lodo húmedo que contiene 4 gramos de sólidos
totales. A medida que se lleva a cabo el secado del lodo, la masa de la muestra
disminuye. El porcentaje de humedad es obtenido por medio de la Ecuación 2.
24
Ecuación 2
2.3.3. Método del Número Más Probable
El método del número más probable (NMP) se utiliza cuando se quieren cuantificar
microorganismos difíciles de cultivar en medio sólido o cuando se cuenta con
muestras donde se encuentra una variedad de células bacterianas que pueden
crecer en un medio líquido determinado por ejemplo en el agua potable. Este
método de recuento de células viables, se basa en el principio de que una única
célula viva puede desarrollarse y producir un cultivo turbio. El NMP requiere que
se lleven a cabo una serie de diluciones en serie al décimo de la muestra de
cultivo, en un medio de cultivo adecuado para el crecimiento de tal organismo.
Después sigue la incubación de estos cultivos que por lo general se hacen en
tubos de ensaye; esto se lleva a cabo a una temperatura adecuada al crecimiento
óptimo del microorganismo en estudio. Luego que ha pasado suficientemente
tiempo para permitir el crecimiento del microorganismo problema se examinan los
tubos, observándose turbiedad en aquellos que fueron inoculados con una o más
células microbianas a partir de la muestra. Los tubos que no hayan recibido ningún
microorganismo permanecerán transparentes. Conforme se aumenta el factor de
dilución, se llegará a un punto en el que no se encuentre turbiedad en todos los
tubos de la serie.
“Se utiliza una tabla estadística para determinar el número más probable de
microorganismos presentes en la muestra original. La precisión de este método
aumenta con el número de tubos que se usan, aunque cinco tubos por dilución se
considera como una relación apropiada entre la precisión y la economía”
(Ingraham y Catherine, 1998).
2.3.4. Enriquecimiento
Se suspendieron X g de materia fresca que correspondieron a 4 g de sólidos
totales ( ) en 36 mL de caldo de tetrationato (BD BioxonMT Lote 3287805),
25
obteniéndose una dilución de 10–1. Esta mezcla se agitó durante 2 o 3 min con la
ayuda de una parrilla de agitación (Shaker modelo SHKA2000) a una velocidad de
500 rpm hasta la completa disolución. Luego se incubó durante 24 h a 37°C en un
horno (SheLab) con control de temperatura por convección de aire caliente.
2.3.5. Preparación de diluciones
Una vez transcurrido el tiempo de incubación, se prepararon las diluciones
decimales seriadas transfiriendo 1 mL de la solución de muestra enriquecida (10–1)
en un tubo de ensaye conteniendo 9 mL de agua de dilución estéril resultando una
dilución 10–2, y de esta dilución se tomó 1 mL que se depositó en otro tubo de
ensaye con 9 mL de agua de dilución resultando ahora una dilución 10–3, y así
sucesivamente se prepararon las diferentes diluciones hasta llegar a la requerida.
El número de diluciones a preparar fue variable conforme transcurrió el
experimento, dado que el número de microorganismos en las muestras cambia
durante el secado del lodo y por lo general se requirió una dilución menor para
detectarlo. Cada dilución fue homogeneizada agitando 25 veces en 7 segundos
(aproximadamente), haciendo un arco con la muñeca de 30 cm de arriba a abajo.
La agitación siempre se hizo de la misma manera, para obtener resultados
comparables, y se utilizó una punta estéril diferente, para cada una de las
diluciones decimales subsecuentes.
Un mililitro de cada dilución fue agregado a cinco tubos con tapón de rosca
conteniendo 10 mL de caldo selenito cistina. Para este proceso se utilizó una
micropipeta de 1000 µL y puntas estériles. Como este análisis se realizó por
triplicado, entonces se procesaron 15 tubos para cada dilución Los tubos fueron
incubados durante 24 h a 37°C. Después de esto, se pudo observar el virado de
coloración, considerándose un color anaranjado intenso como positivo de la
prueba correspondiente.
El NMP de Salmonella se obtiene observando primeramente la presencia de tubos
positivos. Como se manipularon muestras con alto contenido de bacterias, todos
los tubos de las primeras diluciones presentaron el color anaranjado intenso. Al
llegar a la última dilución conteniendo todos los tubos positivos, a ésta le
26
asignamos el primer lugar en el código de tres dígitos, donde el número de tubos
positivos de las dos diluciones sucesivas proporcionan los dos dígitos restantes;
por ejemplo el código 5-2-0 para una dilución de 10-4 significa que la respuesta en
esta dilución fue de cinco tubos positivos, en la dilución siguiente de 10-5 se
obtuvieron dos positivos y en la tercera de 10-6 se obtuvieron cero tubos con
presencia de Salmonella. En el Anexo III se encuentra la tabla de NMP en la que
con el código mencionado puede ser determinado el correspondiente NMP de
Salmonella en 100 mL de muestra seca.
Para realizar la conversión de unidades de NMP/100 mL a NMP/g ST, se calculó
la densidad de cada muestra, . Cuando el lodo contenía alto
porcentaje de agua, se pesó una probeta de 100 mL en una báscula, luego se
llenó con lodo hasta la marca de 100 mL y se volvió a pesar. Se calculó la
diferencia de pesos entre la probeta con lodo y la vacía, obteniéndose así el peso
de lodo en un volumen de 100 mL. Por otro lado, cuando el lodo fue deshidratado,
y presentó apariencia sólida, se adicionaron 5 mL de agua a una probeta de 10
mL, y se introdujo una masa definida de lodo seco, y se anotó el volumen
desplazado de agua, equivalente al volumen de la cantidad de lodo sumergida.
2.3.6. Aislamiento e identificación bioquímica de Salmonella spp
El aislamiento y la identificación no son indispensables para la cuantificación de
Salmonella, pero son necesarios como control para el laboratorio de que las
bacterias fueron correctamente identificadas.
A partir de un cierto número de tubos positivos (con virado anaranjado), con la
ayuda de un asa, se sembraron por estría para obtener colonias aisladas sobre la
superficie de placas de los medios diferenciales selectivos Verde brillante y SS.
Se pusieron a incubar a 37°C durante 24 h. Luego se observaron los cultivos para
identificar las colonias sospechosas para Salmonella que en el agar SS se deben
presentar colonias translúcidas, transparentes u opacas y algunas veces con
centro negro (indicador de la producción de H2S), y en el agar verde brillante
colonias rojas que generalmente presentan el centro negro.
27
Para la identificación bioquímica se seleccionaron al menos 2 colonias típicas
sospechosas de cada placa, que se encontraron bien aisladas. Se tocó con un asa
recta cada colonia y se inoculó por estría en una placa conteniendo agar nutritivo.
Se Incubó a 37°C por 24 h. A partir de colonias perfectamente aisladas se
inocularon 2 tubos, uno con agar triple azúcar hierro (TSI) y otro con agar hierro
lisina (LIA), por estría cruzada en la superficie inclinada y por picadura en el fondo
que luego se pusieron a Incubar a 37°C durante 24 h.
2.3.7. pH de lodos
Mediciones de pH fueron realizadas para identificar alguna correlación con la
cantidad de microorganismos presentes en los lodos. El pH se obtuvo de un
extracto líquido del lodo. Para la obtención del extracto se mezclaron 500 g de
lodo húmedo con 100 mL de agua destilada. La mezcla se homogeneizó con
espátula hasta formar una pasta y se dejó reposar por 24 h. Esta última fue filtrada
en un embudo Büchner con papel filtro Whattman # 40, y utilizando un matraz
Kitazato de 500 mL, el cual fue conectado a una bomba de vacío. Se obtuvieron
100 mL de extracto en aproximadamente 5 h. Los valores de pH fueron medidos
directamente con un potenciómetro (Termo, CORNING).
28
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. ConfirmacióndeSalmonellasppporpruebabioquímica
En las pruebas bioquímicas con agar triple azúcar hierro (TSI) y agar hierro lisina
(LIA), se observó el crecimiento en los tubos y se consideraron positivas las
colonias que mostraron reacción. En el agar TSI, en el fondo del tubo se pudo
observar un virado color amarillo debido a la fermentación de la glucosa y en la
superficie del medio se intensificó el color rojo. En la mayoría de los casos se pudo
observar una coloración negra a lo largo de la picadura, debido a la producción de
H2S. Por otro lado, en la prueba con agar LIA se observó una coloración púrpura
en todo el tubo y en ocasiones se observó la producción de H2S, con
ennegrecimiento a lo largo de la picadura.
3.2. ReduccióndevolumenySalmonellaspp.duranteelsecadosolar
En la Figura 4 se presenta la concentración de Salmonella spp. (♦) y contenido de
agua (■) en el lodo dentro del secador conforme transcurrió el experimento 1. Este
experimento fue realizado desde el mediodía del 30 de Junio al 19 de Julio 2007.
Los lodos permanecieron 449 horas dentro del secador y durante ese tiempo se
tomaron 9 muestras en tiempos irregulares. Al inicio del experimento se obtuvo
una humedad del 86.22% de la muestra original proveniente de la PTAR y
1.573X1013 NMP/g ST de Salmonella. Conforme transcurrió el tiempo de secado
dentro del dispositivo, los lodos fueron disminuyendo tanto en humedad como en
concentración de bacterias. Las primeras 24 horas que correspondieron a las tres
primeras muestras fueron de gran rendimiento en la disminución de los
parámetros mencionados, esto se debió a la ocurrencia de una alta radiación solar
(4.51 kW-h/m2 en 5 horas) en el primer día de experimentación. En estas
circunstancias la humedad bajó hasta 80.22% y la bacteria disminuyó hasta
6.375X108 NMP/gST, la cual es una cantidad muy pequeña comparada con la
concentración inicial. Hasta aquí se concluye que a pesar de tenerse grandes
29
cantidades de humedad, la temperatura que alcanzó el lodo fue capaz de eliminar
grandes cantidades de la bacteria. A los 11 días de tratamiento, la humedad fue
de 6.68% y la concentración de Salmonella de 1.916X103 NMP/gST, cantidades
que muestran la efectividad del secador en la remoción de humedad y eliminación
de patógenos, teniendo en cuenta que se llegó aquí a través de días nublados, de
poca radiación. Todos los días de experimentación, excepto el primero,
presentaron baja insolación debido a constantes nublados, alrededor de 5 kW-
h/m2 para 10 horas de longitud del día. La última muestra que se tomó en este
experimento, a las 449 horas, presentó un valor ligeramente mayor que la muestra
8. Esto se debió a la alta heterogeneidad del lodo que va adquiriendo conforme se
va secando, la variabilidad en la cantidad de humedad y cantidad de patógenos se
encontró dentro de una tendencia asintótica.
En la Figura 5 se muestra la concentración de Salmonella spp. (♦) y el contenido
de agua (■) en porcentaje en el lodo en función de el tiempo de residencia de
dentro del secador durante el segundo experimento. Éste se llevo a cabo durante
el otoño del 2007, específicamente del 12 al 18 de Octubre. En este periodo se
tuvieron días despejados con radiaciones solares integradas durante el día (es
decir, insolación) alrededor de 4.7 kW-h/día-m2, que al compararlas con las que se
tienen en un día típico de verano (7.8 kW-h/día-m2) son bajas, pero éstas fueron
muy constantes. Al inicio del experimento 2 la cantidad de la bacteria fue de
1.56X108 NMP/gST con una humedad de 90.24%. Las muestras siguientes al ser
analizadas mostraron la reducción de estos valores iniciales de tal manera que a
las 95 horas ya se obtuvo una cantidad de Salmonella spp. de 5.2X102 NMP/gST y
una humedad de 1.39%. Aquí se puede resaltar el hecho de que a pesar de
tenerse bajas insolaciones, el secador solar mostró efectividad en la reducción de
las bacterias y de la humedad. Inclusive, si se comparan los resultados de este
experimento con el experimento 1, se llega a la conclusión de que en días
nublados se necesita más tiempo para llegar al secado completo, o sea que la
velocidad de secado es mayor en días soleados; si se observa la eliminación de
las bacterias patógenas, hay una diferencia de 8 días para llegar a
concentraciones de Salmonella en el orden de 103.
30
Figure 4. CONCENTRACIÓN DE SALMONELLA SPP. Y CONTENIDO DE AGUA EN EL LODO DENTRO DEL SECADOR CONFORME TRANSCURRIÓ EL EXPERIMENTO 1.
Figure 5. CONCENTRACIÓN DE SALMONELLA SPP. Y CONTENIDO DE AGUA EN EL LODO DENTRO DEL SECADOR CONFORME TRANSCURRIÓ EL EXPERIMENTO 2.
31
3.3. RadiaciónSolarduranteelsecadodelodos
La Figura 6 muestra la radiación solar (W/m2) en función de la hora del día, para
tres días representativos de los dos experimentos. La curva () corresponde a la
radiación del primer día del experimento 1, el cual presentó la mayor incidencia
de los dos periodos de experimentación; siendo éste un día típico despejado de
verano. En este día se observó alta radiación, comparada con la que se tuvo en
los días siguientes, que fueron predominantemente nublados y en la gráfica se
también se incluye un día nublado típico (▲) para dicho experimento. Bajo las
condiciones de bajo suministro de energía al secador, se necesitaron 11 días
para la remoción del 95% de humedad de los lodos. El periodo de
experimentación en el otoño, experimento 2, consistió de días despejados en su
totalidad. Los datos () en la gráfica, corresponden a un día representativo del
experimento 2; éstos valores resultaron intermedios entre la radiación solar del
día promedio nublado del experimento 1 y la del primer día soleado. Tal cantidad
de energía incidente en el secador de forma constante a lo largo del día, aceleró
la eliminación de agua de los lodos; el 98% fue removido en 6 días.
Al comparar el rendimiento del secador solar durante los tres días presentados
en la Figura 6, resulta que entre más alta sea la radiación, mayor será la
velocidad de secado y de eliminación de microorganismos patógenos. Para días
nublados, la operación de secado continúa aunque a una efectividad menor.
32
Figure 6. RADIACIÓN SOLAR DURANTE EL SECADO DE LODOS EN EL SSTI.
3.4. pHdelodos
La Tabla III muestra los valores de pH que fueron medidos durante los
experimentos 1 y 2. En el experimento 1 el valor más bajo de pH fue 6 y el más
alto de 6.8, valores que se encuentran dentro del rango de supervivencia de
Salmonella spp. En el experimento 2 sucedió lo mismo, el pH estuvo en un rango
de 6.3 a 7.2, valores que tampoco afectaron el desarrollo del microorganismo
patógeno. Por lo anterior se concluye que este parámetro no influyó en la
eliminación de la Salmonella spp. ya que estuvo en un rango óptimo para ella.
33
Tabla III. VALORES DE PH DURANTE EL PROCESO DE SECADO DE LOS LODOS EN LOS EXPERIMENTOS 1 Y 2.
PH Muestra Exp 1 Exp 2
1 6.8 6.6 2 6.5 6.3 3 6.2 6.6 4 6.1 6.4 5 6.0 7.2 6 6.0 -
3.5. Efectocombinadodelasvariablesdelproceso
En las Tablas IV y V se encuentran los valores de las distintas variables durante
el proceso de secado del lodo en el SSTI para los experimentos 1 y 2,
respectivamente. En principio resalta el hecho de que en el experimento 1 se
analizaron dos muestras más que en el segundo, esto se debió la velocidad de
secado fue mayor en el experimento 2. También se ve que la toma de las
muestras en el experimento 2, fueron más regulares que en el primero, esto se
debió a las condiciones favorables de insolación que fue casi constante; en el
primero por ser días nublados, había que dejar pasar mas tiempo entre la toma
de muestras para cuantificar diferencias significativas. La insolación fue muy
irregular en el experimento 1, el primer día fue alta, lo que afectó grandemente a
los valores encontrados de Salmonella spp., la concentración de la bacteria se
redujo en un 96%, y en los días siguientes los cuales fueron nublados, la
bacteria se fue eliminando gradualmente, pero la humedad disminuyó
lentamente; el 95 % fue eliminada en 267 horas. En contraste con los hallazgos
del experimento 1, en el experimento 2 tanto la humedad del lodo como la
eliminación de la bacteria fueron mas rápidas debido a las ocurrencia de días
claros. Al empezar los dos experimentos, la humedad del lodo fue alta: 86.22%
para el primero y 90.24% para el segundo. La variable de mayor peso en la
sobrevivencia de la Salmonella spp. resultó ser la alta cantidad de agua
contenida en los lodos
34
Tabla IV. DATOS RESULTANTES EN EL EXPERIMENTO 1 PARA EL LODO EN EL SSTI.
Muestra
Tiempo de residencia,
h
Insolación kW-h/m2
Humedad, % pH NMP/gST
Salmonella eliminada,
% 1 0 0 86.22 6.81 1.573E+13 0.000 2 7 4.51 82.20 6.58 6.03E+11 96.166
3 24 1.46 80.22 6.28 6.37E+08 99.996 4 55 8.8 77.14 6.11 4.25E+08 99.997 5 79 5.6 77.30 6.07 2.02E+08 99.999 6 103 5.57 64.20 6.05 8.07E+07 99.999 7 219 22.00 43.13 1.21E+05 99.999 8 267 11.96 6.68 1.91E+03 99.999 9 449 4.45 1.91E+04 99.999
Tabla V. DATOS RESULTANTES EN EL EXPERIMENTO 2 PARA EL LODO EN EL SSTI.
Muestra Tiempo de
residencia, h Insolación kW-h/m2
Humedad, % pH NMP/gST
Salmonella eliminada, %
1 0 90.24 1.56E+08 0.0000 2 11 4.7 87.58 6.6 3.67E+06 97.6474 3 23 4.6 84.83 6.3 5.53E+07 64.5513 4 35 4.8 68.13 6.6 2.13E+05 99.8635 5 47 4.7 73.41 6.4 6 71 4.6 58.58 7.2 2.30E+03 99.9985 7 95 1.39 5.20E+02 99.9997
35
CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1. Conclusiones
• El secador solar resultó ser efectivo para la remoción de agua en el lodo
y para la eliminación de altos contenidos de Salmonella spp.
• El proceso solar permitió remover el 95% de agua en un lote procesado
y el 99.9999% de las bacterias de Salmonella spp de las 1.57X1013
originales.
• Dadas las características de la salmonella de ser resistente en un
amplio rango de temperatura, humedad, pH y a bajo contenido de
nutrientes, se asegura que con el secador solar es posible aniquilar un
amplio espectro de microorganismos patógenos.
• La efectividad de remoción de agua y patógenos del secador es mayor
cuando se experimenta una mayor incidencia de radiación.
• En temporada de nublados constantes, el dispositivo solar necesitó
periodos más largos de procesamiento.
• Las características físicas del lodo hicieron que al incidir la radiación, se
formara una costra que impidió la transferencia de calor al lodo bajo ella.
Por lo tanto, es fundamental contar con un sistema automático de
mezclado.
• No se alcanzó a obtener un lodo tipo C de acuerdo a la NOM-004-
SEMARNAT-2002, como se planteo en la hipótesis, debido a que no se
contó con un buen sistema de mezclado.
36
4.2. Recomendaciones
El secador solar tipo invernadero debe tener un sistema que permita la
homogenización de los lodos dentro del sistema. Esto permitirá un secado más
efectivo y una mayor eliminación de los microorganismos presentes. Puede ser un
sistema de paleo automático, un tornillo sin fin o algo mas sofisticado, como un
robot que haga el trabajo.
Se recomienda complementar este sistema de secado con otro de combustible
convencional como gas natural o diesel, o incluso biogás producto de un proceso
anaerobio dentro de la PTAR de tal manera que permita el secado en días no-
soleados.
4.3. Plandedifusión
Dar a conocer los resultados de la investigación en foros ante la JMAS, el
Gobierno Municipal y Estatal para proponer la implementación de un secador
solar, el cual podría mejorar los mecanismos de manejo, aprovechamiento y
disposición de lodos en Ciudad Juárez.
Difundir en conferencias y documentos científicos los hallazgos del estudio
microbiológico, del cual no se ha presentado hasta la fecha, ya que puede servir
de plataforma para estudios posteriores.
Difundir ante la población y la comunidad universitaria, la necesidad de utilizar las
fuentes alternas de energía para frenar el deterioro al medio ambiente.
37
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40
ANEXO I
Cuadro 1. Residuos principales de plantas de tratamiento de agua. Las PTAR producen materiales de desecho que tienen diferente fase y que depende del tipo de tratamiento que se le da al agua residual en la planta.(Calidad y Tratamiento del Agua, American Water Works Association. 2002. p 999).
Residuos sólidos/líquidos Lodos de alúmina Lodos de hierro Lodos de polímeros Lodos de ablandamiento Agua gastada en retrolavado de filtro Carbón activo gastado o rechazo de los sistemas de carbón Residuos de filtración en lentes de arena Residuos de plantas de remoción de hierro y magnesio Medios filtrantes gastados de filtros de precapa “Pellets” de desendurecimiento Residuos en fase líquida Salmuera regenerante de intercambio iónico Residuo regenerante de alúmina activada Concentrado de sistemas de membranas Agua de transporte de carbono granular activado Residuos en fase gaseosa Gases desprendidos del “stripping”de aire Gases desprendidos de ozono
Cuadro 2. Producción de lodos de un tratamiento de aguas residuales. La cantidad de lodo producido en las PTAR depende de el tipo de proceso llevado a cabo en ella, los mostrados son valores usuales (Crites y Tchobanoglous 2004).
Lodo seco, ton/106 gal Proceso u operación Intérvalo Valor usual Sedimentación primaria 0.45-0,7 0,60 Lodos activados 0,3-0,4 0,35 Filtros percoladores 0,25-0,4 0,30 Laguna aireada 0,35-0,5 0,40 Aireación extendida 0,35-0,5 0,40 Filtración 0,5-0,1 0,07
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Cuadro 3. Composición característica de los lodos. Dependiendo de la composición del agua tratada y del proceso llevado a cabo en la PTAR se obtienen lodos de características diversas, este cuadro muestra una caracterización muy general (Crites y Tchobanoglous 2004).
Componente Unidad Primario sin tratar Biosólidos de exceso de lodos activados
Sólidos totales ST % 5 0,83-1,16 Sólidos volátiles %ST 65 59-88 Nitrógeno como N %ST 2,5 2,4-5,0 Fósforo como P2O5 %ST 1,6 2,8-11,0 Potasio como K2O %ST 0,4 0,5-0,7 pH 5,0-8,0 6,5-8,0 Hierro %ST 2,5
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ANEXO II Medios y soluciones utilizados en la cuantificación de Salmonella spp. en
lodos mediante la técnica de tubos múltiples o número más probable (NMP)
1. Caldo de tetrationato Fórmula Proteosa peptona o triptona 5.00 g Sales biliares 1.00 g Carbonato de calcio 10.00 g Tiosulfato de sodio 30.00 g Agua destilada 1 000.00 mL Disolver los ingredientes o 16 g del medio, que se encuentra en forma deshidratada en el mercado, en agua destilada y calentar hasta ebullición, posteriormente distribuir en volúmenes de 100 mL en recipientes estériles y conservar entre 5 y 8°C. Antes de usar el medio, agregar 2 mL de solución de yodo yoduro y 1 mL de solución de verde brillante 1:1 000 por cada 100 mL de caldo, a cada recipiente. Una vez que la solución de yodo yoduro ha sido adicionada al medio, éste deberá ser utilizado de forma inmediata. Nunca se debe volver a calentar. 2. Caldo selenito cistina Fórmula Triptona o polipeptona 5.00 g Lactosa 4.00 g Fosfato disódico 10.00 g Selenito ácido de sodio 4.00 g L- Cistina 0.01 g Agua destilada 1 000.00 mL Preparación: Disolver los ingredientes o 23 g del medio, que se encuentra en forma deshidratada en el mercado, en agua destilada. Calentar hasta ebullición durante 10 minutos en un baño de agua y distribuir en volúmenes de 10 mL en tubos de ensayo, para esterilizar 10 minutos por arrastre de vapor. Verificar que el pH sea de 7.0 ± 0.2, en caso contrario ajustar con una solución de hidróxido de sodio 0.1 N. El medio se debe utilizar el mismo día de su preparación. 3. Agar verde brillante (VB) Fórmula Extracto de levadura 3.00 g Proteosa peptona número 3 polipeptona 10.00 g Cloruro de sodio 5.00 g Lactosa 10.00 g Sacarosa 10.00 g Rojo de fenol 0.08 g Verde Brillante 0.012 5 g Agar 20.00 g Agua destilada 1 000.00 mL Preparación: Suspender los ingredientes o lo indicado por el medio, que se encuentra en forma deshidratada en el mercado, en 1 L de agua destilada, mezclar bien y calentar hasta ebullición. Verificar que el pH sea de 6.9 ± 0.1 en caso contrario ajustarlo con una solución de hidróxido de sodio 0.1 N. Esterilizar en autoclave a 121°C por 12 minutos, cualquier sobrecalentamiento del medio disminuye su selectividad. Enfriar a no menos de 50°C pero debajo de 60°C y distribuir en cajas de Petri estériles. 5. Agar S.S. Fórmula Extracto de carne 5.00 g *Polipeptona 5.00 g Lactosa 10.00 g Sales biliares 8.50 g Citrato de sodio 8.50 g Tiosulfato de sodio 8.05 g Citrato férrico 1.00 g Agar 13.50 g Verde brillante Solución al 0.1% 0.33 g Rojo neutro 0.25 g Agua destilada 1 000.00 mL * La polipeptona se puede sustituir por 2.5 gramos de peptona de caseína y 2.5 gramos de peptona de carne. Suspender los ingredientes o 60 g del medio que se encuentra en forma deshidratada en el mercado, en 1 L de agua destilada y calentar a ebullición hasta disolución completa. No esterilizar en autoclave. Posteriormente verificar que el pH sea de 7.0 ±. 0.2, en caso contrario ajustarlo con una solución de hidróxido de sodio 0.1 N. Enfriar a no menos de 50°C pero debajo de 60°C y distribuir en cajas Petri estériles.
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6. Agar nutritivo** Fórmula Extracto de carne 3.00 g Peptona 5.00 g Agar 15.00 g Agua destilada 1 000.00 mL ** Se puede sustituir por agar infusión cerebro-corazón o similar Suspender los ingredientes en agua, dejar reposar entre 5 y 10 minutos, calentar a ebullición hasta su completa disolución, para posteriormente verificar que el pH sea de 6.8 ± 0.2, en caso contrario ajustarlo con una solución de hidróxido de sodio 0.1 N y esterilizar a 121°C por 15 minutos. Dejar enfriar a no menos de 50°C y debajo de 60°C y distribuir en cajas Petri estériles. 7 Agar triple azúcar hierro (TSI) Fórmula Polipeptona 20.00 g Cloruro de sodio 5.00 g Lactosa 10.00 g Sacarosa 10.00 g Glucosa 1.00 g Sulfato ferroso amónico 0.20 g Tiosulfato de sodio 0.20 g Rojo de fenol 0.025 g Agar 13.00 g Agua destilada 1 000.00 mL Suspender los ingredientes o 65 g del medio, que se encuentra en forma deshidratada en el mercado, en 1 L de agua destilada; mezclar perfectamente y calentar a ebullición, agitando ocasionalmente hasta su completa disolución. Verificar que el pH sea de 6.9 ± 0.2, en caso contrario ajustarlo con una solución de hidróxido de sodio 0.1 N. Enfriar a 60 °C y distribuir en volúmenes de 4 mL en tubos de rosca y esterilizar a 121 °C durante 15 minutos. Los tubos se inclinan, de manera que el medio de cultivo en el fondo alcance una altura de 3 cm y una parte inclinada de 2 a 3 cm. 8 Agar hierro lisina (LIA) Fórmula Peptona o gelisato 5.00 g Extracto de levadura 3.00 g Glucosa 1.00 g L Lisina 10.00 g Citrato férrico amónico 0.50 g Tiosulfato de sodio 0.04 g Púrpura de bromocresol 0.02 g Agua destilada 1 000.00 mL Suspender los componentes o según indicaciones del medio que se encuentra en forma deshidratada en el mercado, en 1 L de agua destilada, y calentar hasta ebullición con agitación frecuente. Verificar que el pH sea de 6.7 ± 0.2, en caso contrario ajustar con una solución de hidróxido de sodio 0.1 N. Enfriar a no menos de 50°C pero debajo de 60°C y distribuir en volúmenes de 4 mL en tubos de rosca, para esterilizar en presión a 121°C por 12 minutos. Posteriormente dejar enfriar los tubos en posición inclinada, de tal modo que se obtengan columnas de medio de 3 cm y una parte inclinada de 2 cm. 9. Solución madre de tampón A: Fosfato monopotásico (KH2PO4) 34.00 g Agua destilada 1 000.00 mL Disolver el fosfato monopotásico en 500 mL de agua destilada, ajustar el pH a 7.2 ± 0.2 con la solución de hidróxido de sodio 1 N y aforar a 1 000 mL con agua destilada y esterilizar en autoclave a una presión de 1.05 kg/cm2 y una temperatura de 121°C, durante 15 minutos. Almacenar en refrigeración ente 2 y 4°C. La solución es estable durante meses, pero se debe desechar cuando se observe turbiedad. 10. Solución madre de tampón B: Cloruro de magnesio (MgCl2.6H2O) 81.10 g Agua destilada 1 000.00 mL Disolver el cloruro de sodio de magnesio en 500 mL de agua destilada y aforar a 1 000 mL con agua destilada y esterilizar a 121°C durante 15 minutos. Almacenar en refrigeración entre 2 y 4°C. La solución es estable durante meses, pero se debe desechar cuando se observe turbiedad. 11. Solución tampón de fosfatos (agua de dilución) Adicionar 1.25 mL de la solución patrón A y 5 mL de la solución patrón B y aforar a 1 L con agua destilada, para distribuir volúmenes de 9.2 mL y 36 mL en tubos de rosca y frascos con tapa de cierre hermético, respectivamente, y esterilizar en autoclave a una presión de 1.05 kg/cm2 y una temperatura de 121°C, durante 15 minutos. Almacenar a temperatura ambiente. 12. Solución de hidróxido de sodio 0,1 N Fórmula Hidróxido de sodio (NaOH) 4.00 g
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Agua recién destilada 1 000.00 mL Preparación Pesar 4.0 gramos de hidróxido de sodio y disolver en 1 000 mL de agua recién destilada y libre de CO2 para abatir la carbonatación de la solución y almacenar en frasco con tapón de rosca. 13. Solución de hidróxido de sodio 1 N Fórmula Hidróxido de sodio (NaOH) 40.00 g Agua recién destilada 1 000.00 mL Preparación: Pesar 40.0 gramos de hidróxido de sodio y disolver en 1 000 mL de agua recién destilada y libre de CO2 para abatir la carbonatación de la solución, almacenar en frasco con tapón de rosca. 14. Solución de yodo yoduro Fórmula Cristales de yodo 6.00 g Yoduro de potasio 6.00 g Agua destilada 20.00 mL Disolver el yoduro de potasio en el agua destilada y agregar lentamente los cristales de yodo hasta su completa disolución y almacenar en oscuridad.
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ANEXO III Tabla del índice de NMP para varias combinaciones de resultados positivos
cuando se usan cinco tubos por dilución.
Combinación de tubos positivos
índice MPN/100mL
Combinación de tubos positivos
índice MPN/100mL
0-0-0 <2 4-3-0 27 0-0-1 2 4-3-1 33 0-1-0 2 4-4-0 34 0-2-0 4 5-0-0 23 1-0-0 2 5-0-1 30 1-0-1 4 5-0-2 40 1-1-0 4 5-1-0 30 1-1-1 6 5-1-1 50 1-2-0 6 5-1-2 60 2-0-0 4 5-2-0 50 2-0-1 7 5-2-1 70 2-1-0 7 5-2-2 90 2-1-1 9 5-3-0 80 2-2-0 9 5-3-1 110 2-3-0 42 5-3-2 140 3-0-0 8 5-3-3 170 3-0-1 11 5-4-0 130 3-1-0 11 5-4-1 170 3-1-1 14 5-4-2 220 3-2-0 14 5-4-3 280 3-2-1 17 5-4-4 350 4-0-0 13 5-5-0 240 4-0-1 17 5-5-1 300 4-1-0 17 5-5-2 500 4-1-1 21 5-5-3 900 4-1-2 26 5-5-4 1600 4-2-0 22 5-5-5 ≥ 1600 4-2-1 26
