Lodos residuales de origen doméstico: disminución de coliformes fecales y Salmonella spp.

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Lucero Mariel López Moreno*, Bárbara Azucena Macías Hernández*,

Néstor Guevara García*, José Alberto López Santillán*, Patricio Rivera Ortiz*

CIENCIA UANL / AÑO 21, No.91 septiembre-octubre 2018

https://doi.org/10.29105/cienciauanl21.91-1

 

RESUMEN

El elevado contenido de microorganismos patógenos que presentan los lodos residuales genera una problemática en su disposición. Se evaluó la disminución de coliformes fecales y Salmonella spp., sometido a vermiestabilización y estabilización alcalina, empleando relaciones lodo-hidróxido de cal de 0.5-9.5, 1.0-9.0, 1.5-8.5 y 2.0-8.0 kg, así como 10.0-0.39, 10.0-0.26 y 10.0-0.13 kg lodo-lombriz. En cuanto a coliformes fecales, ambos tratamientos lograron conseguir la clasificación “C” para uso forestal y agrícola sin contacto directo, establecida en la NOM-004-SEMARNAT-2002. Sin embargo, la disminución de Salmonella spp. no consiguió ser suficientemente efectiva para cumplir con dicha clasificación.

Palabras clave: microorganismos, patógenos, lodos residuales, vermiestabilización, estabilización alcalina.

ABSTRACT

The high content of pathogenic microorganism that are present in sewage sludge generate a problema in its disposition. The decreased of faecal coliforms and Salmonella spp., subdued to vermicomposting and alkaline stabilization was evaluated, applying relationship sludge-Lime hydroxide of 0.5-9.5, 1.0-9.0, 1.5-8.5 and 2.0-8.0 kg, as wel as 10.0-0.39, 10.0-0.26 and 10.0-0.13 kg sludge-worm. In respect of faecal coliforms, both treatments were able to get the “C” ranking for forestry use and farming use without direct contact, established in the NOM-004-SEMARNAT-2002. Nevertheless, the reduction of Salmonella spp. Failed to get sufficiently effective to fulfill this ranking.

Keywords: microorganism, pathogens, sewage sludge, vermicomposting, alkaline stabilization.

Las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) han sido establecidas en diversos países con la finalidad de reutilizar el agua desechada en procesos domésticos e industriales y prevenir la contaminación de ecosistemas. Los lodos residuales, también conocidos como biosólidos (Renner, 2000), son subproductos formados de partículas orgánicas y minerales no retenidas en los tratamientos físicos o biológicos del agua (Peñarete, 2012; Oropeza, 2006). Usualmente contienen de 93 a 99% de humedad, así como entre 0.5 y 2% de sólidos (EPA, 1999). Asimismo, son considerados desechos peligrosos e indeseables debido al contenido de metales pesados y microorganismos patógenos que presentan (coliformes fecales, Salmonella spp. y huevos de helmintos) (European Commission, 2010).

En el ámbito mundial, miles de millones de toneladas de lodos residuales son generadas cada año (Renner, 2000). Tan sólo en Estados Unidos se producen alrededor de once millones de toneladas en peso seco (Kelessidis y Stasinakis, 2012). En México, no existe una cifra oficial reportada sobre la generación de los lodos residuales (Oropeza, 2006). Sin embargo, el volumen de aguas residuales (AR) tratadas se ha incrementado en los últimos 22 años, lo que provoca un aumento en la cantidad de lodos residuales producidos. Para 2010 ya existían 2,603 PTAR municipales en operación, tratando 93.6 m3 s-1 de AR, es decir, 44.76% de los 209.1 m3 s-1 recolectados en los sistemas de alcantarillado. Sólo en el estado de Tamaulipas, para 2013, se encontraban instaladas 44 PTAR, las cuales realizaban el tratamiento de 5,692.1 L s-1 (Conagua, 2013).

En México, el principal problema de la disposición de lodos residuales es el alto contenido de microorganismos patógenos que presentan (Barrios et al., 2000). Por lo tanto, son ocasionalmente incinerados o utilizados como material de relleno (Renner, 2000), descargados en sistemas de alcantarillado, cuerpos de agua, tiraderos, terrenos o en las mismas fuentes de suministro sin un tratamiento previo y, en el mejor de los casos, dispuestos en rellenos sanitarios (Oropeza, 2006; Castrejón et al., 2002), lo cual puede generar severos problemas de contaminación (Castrejón et al., 2002).

Algunos autores demuestran que los lodos residuales cuentan con la capacidad de ser utilizados como abono agrícola (Tsadillas et al., 1995; Hernández et al., 2005; Nagar, Sarkar y Datta, 2006), debido a su elevado contenido de materia orgánica (CEAJ, 2011), para lo cual requieren de un tratamiento previo a su disposición (Torres, Madera y Martínez, 2008).

Estabilizar lodos mediante la adición de cal es un proceso sencillo que permite destruir o eliminar microorganismos productores de gases fétidos, así como microorganismos patógenos y mejorar las características de secado (Romero, 2005); disminuyendo las concentraciones de coliformes fecales dentro de los límites de la clase A de la NOM-004-SEMARNAT-2002 (Castrejón et al., 2002).

Otra de las técnicas utilizadas es la vermiestabilización o vermicomposteo, la cual consiste en la estabilización y secado de lodos utilizando lombrices de tierra. Investigaciones previas demuestran que el producto final de este tratamiento suele contener niveles elevados de nitrógeno y fósforo (European Commission, 2010), así como un menor contenido de microorganismos pa- tógenos en comparación con otros métodos de estabilización (Khwairakpam y Bhargava, 2009).

Con la finalidad de producir un lodo residual “Clase A”, con base en lo establecido en la NOM-004-SE- MARNAT-2002, se evaluó la disminución de coliformes fecales y Salmonella spp. en lodo residual obtenido de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas de Ciudad Victoria, Tamaulipas, México, ex- puesto a distintas concentraciones de cal hidratada y lombriz californiana.

METODOLOGÍA

El lodo residual utilizado se obtuvo de la PTAR domésticas de Ciudad Victoria, Tamaulipas, México. Durante el primer muestreo se colectaron 200 kg de lodo residual, los cuales fueron sometidos a vermiestabilización utilizando lombriz californiana (Eisenia foetida). De la misma forma, en el segundo muestreo se colectaron 200 kg de lodo residual destinados a estabilización alcalina mediante la adición de cal hidratada (Ca(OH)2).

Para conformar el volumen total de muestra se utilizó el método del cuarteo, tal y como se establece en la NOM-004-SEMARNAT-2002.

Una porción del material colectado en ambos muestreos fue trasladado al Laboratorio de Investigación y Diagnóstico Agrícola (LIDA), perteneciente a la Facultad de Ingeniería y Ciencias, de la Universidad Autónoma de Tamaulipas, donde se mantuvo en refrigeración a 4 ̊C con la finalidad de analizar humedad en % mediante método gravimétrico (secado a estufa a 105°C×24 h) y saturación. Asimismo, se determinó el número más probable (NMP) de coliformes totales, fecales, mediante la prueba indirecta (prueba presuntiva en caldo lactosado y prueba confirmativa flama del medio EC) y Salmonella spp., conforme con lo descrito en la NOM-004-SEMARNAT-2002. El pH se midió a través del método potenciométrico en periodos de 24 h, en una relación 1:0.5 agua destilada-muestra y la materia orgánica (MO) utilizando el método de Walkley-Black.

Para llevar a cabo el experimento se diseñó un modelo completamente al azar con siete tratamientos y dos testigos. Tanto los tratamientos como el testigo fueron desarrollados por triplicado, utilizando un total de 27 cajas de reja plástica de 48×28 cm y 15 cm de altura, cubiertas con una bolsa negra de polietileno, con la finalidad de contener el sustrato añadido. Los valores obtenidos de NMP g-1 de coliformes fecales y Salmonella spp., así como los parámetros físicos, fueron sometidos a un análisis de varianza (ANOVA) con un Alpha de 0.05, comparando los tratamientos, utilizando el paquete estadístico IBM SPSS Statistics 21.

Tratamiento alcalino

Los tratamientos 1, 2, 3 y 4 fueron conformados por lodo residual-cal hidratada en una relación de 95-5, 90- 10, 85-15 y 80-20%, respectivamente. Para estos tratamientos se colocó un testigo de 100% de lodo residual correspondiente a 10 kg. Una vez pesada la cantidad de lodo-cal, se procedió a mezclar de forma manual hasta su completa homogenización. En dichos tratamientos se monitoreó la temperatura, así como el pH, esperando alcalinizar el material por encima de 12 unidades durante un período de 72 horas, tal y como recomienda la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA, 2003), para lograr la reducción significativa de microorganismos patógenos.

Transcurridas 72 horas, se colectó una porción de material de cada uno de los tratamientos en bolsas plásticas estériles debidamente etiquetadas, para proceder con los análisis antes mencionados.

Vermiestabilización

Por otra parte, los tratamientos 5, 6 y 7 fueron conformados por 10 kg de lodo residual variando el peso vivo de lombriz añadido (0.39, 0.26 y 0.13 kg, respectivamente), conforme al tiempo de exposición (30, 60 y 90 días). En este caso se llevó un control de la temperatura interna de los tratamientos, realizando riegos periódicos manuales con la finalidad de mantener el material entre 14 y 30oC, temperatura ideal para el desarrollo de Eisenia foetida. A los 0, 30, 60 y 90 días de tratamiento, se colectó sustrato en bolsas de polietileno estériles debidamente etiquetadas para analizar los parámetros correspondientes.

 

RESULTADOS

Tratamiento alcalino

Una vez analizados los parámetros físicos del lodo residual (tabla I), se observó una disminución en la humedad contenida de 83.45 hasta 59.64%, conforme aumentó la relación lodo-hidróxido de cal agregada, debido a que éste es considerado un material secante. Asimismo, la capacidad de absorción de humedad del lodo residual disminuyó a medida que la cantidad de Ca(OH)2 aumentaba, 95.26% en el testigo, mientras que en el que contenía mayor cantidad de Ca(OH)2 (T4), el porcentaje fue de 63.47%, considerándose como alto. Se observó que los valores de humedad y saturación son estadísticamente diferentes (ANOVA p<0.05). Por lo que es importante considerar la relación lodo-cal.

Tal y como recomienda la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (2003), el pH incrementó por encima de 12, logrando mantenerse durante 72 horas. La disociación de Ca(OH)2 en los tratamientos causa una elevación del pH (Palomo-Rodríguez et al., 2010). El análisis mostró que incluso el tratamiento con menor concentración de cal hidratada reflejó una disminución en el contenido de microorganismos patógenos presentes 99%.

Al incrementar la relación lodo-cal, mayor remoción de coliformes fecales y Salmonella spp. fue observada, obteniéndose valores iniciales de 460 ́000,000 NMP g-1 de coliformes fecales y 2,400 ́000,000 NMP g-1 de Salmonella spp., los cuales disminuyeron a medida que el contenido de cal aumentaba (tabla II). Los valores muestran diferencia estadística por lo que sí se observó una disminución significativa para el tratamiento 4 con respecto a los otros (ANOVA P<0.05).

Sin embargo, los resultados son elevados al ser comparados con lo reportado por otros autores (Castrejón et al., 2002; Vigueras-Carmona et al., 2013). Si bien se obtuvo un decremento en casi 100% de microorganismos patógenos, las concentraciones utilizadas de cal hidratada no fueron suficientemente efectivas para lograr cumplir el límite máximo permisible de Salmonella spp. para uso agrícola sin contacto directo establecido en la normatividad (<300 NMP-g ST). En cuanto a coliformes fecales se refiere, el lodo residual estabilizado, en todas las concentraciones aplicadas, logró cumplir con dichos parámetros (<2,000,000 NMP g-1 ST).

Vermiestabilización

En la vermiestabilización de lodos se observó un aumento en el contenido de materia orgánica a los 30, 60 y 90 días de tratamiento de 2.24, 4.47 y 6.71%, respectivamente. Las diferencias fueron significativas de acuerdo al análisis de varianza realizado (p<0.05). Asimismo, a mayor contenido de materia orgánica se observó una acidificación del sustrato (tabla III). Hait y Tare mencionan que el vermicomposteo de lodos residuales promueve la formación de compuestos orgánicos ácidos, lo cual reduce los niveles de pH (Hait y Tare, 2011).

Se logró mantener e incluso incrementar las poblaciones de lombriz californiana utilizada en lodo residual fresco, sin ser requerido un compostaje previo o la adición de algún otro tipo de sustrato. A los 30 y 60 días de tratamiento las poblaciones de lombriz californiana se mantuvieron estables, incluso con un ligero incremento. Lo anterior debido al aumento en peso y número de individuos. A los 90 días de tratamiento se redujeron las poblaciones de lombriz californiana encontradas. Si bien se presentó mayor número de individuos, el peso vivo de lombriz disminuyó, observándose organismos de menor grosor. Resultados similares han sido reportados (Villar et al., 2016), lo cual se atribuye a que el contenido nutricional aprovechable para las poblaciones de lombriz decrece rápidamente en las primeras etapas del compostaje (Gunadi y Edwards, 2003).

Todas las concentraciones de lombriz californiana añadidas a los 30, 60 y 90 días de tratamiento resultaron ser eficientes en cuanto a disminución de coliformes totales y fecales (99.93%). En la totalidad de los tratamientos establecidos se logró disminuir el contenido de coliformes fecales, cumpliendo con la clasificación “excelente o bueno”, establecida en la NOM-004-SE- MARNAT-2002 (<2,000,000 NMP g-1 ST). Sin embargo, para Salmonella spp. se reportó una disminución de 99.98% a los 60 y 90 días de tratamiento (tabla IV), siendo insuficiente para alcanzar las especificaciones impuestas en la normatividad (<300 NMP-g ST), debido a la elevada concentración de Salmonella spp. presente en el lodo residual fresco. Estudios anteriores han conseguido cumplir con el límite máximo permisible Clase “A” (uso en contacto público directo) establecido en la normatividad, sin embargo, los sustratos utilizados presentaban un contenido menor en cuanto a microorganismos patógenos (Eastman et al., 1999; Khwairakpam y Bhargava, 2009).

 

CONCLUSIÓN

Todas las concentraciones lodo residual-cal, lodo residual-lombriz californiana, en cuanto a NMP g-1 ST de coliformes fecales, lograron cumplir con la clasificación “C” (uso forestal y agrícola sin contacto directo). Tal y como menciona Castrejón et al., la adición de cal hidratada a lodos residuales demostró ser una alternativa viable para la disminución del contenido de microorganismos patógenos presentes (Castrejón et al., 2002). Resultados similares fueron encontrados entre los tratamientos con menores concentraciones de cal añadida (10 y 5%) y lombriz californiana en cuanto a NMP g-1 ST de coliformes fecales. Lo cual sugiere que los tratamientos con 20 y 15% de Ca (OH)2 son mayormente efectivos comparados con la vermiestabilización, en cuanto a eliminación de coliformes fecales, además de ser económicos y causar efectos rápidos.

Incrementar el tiempo de exposición al tratamiento alcalino podría ser la solución para conseguir un lodo residual “Excelente o bueno” (Semarnat, 2003), que pueda ser dispuesto o aprovechado en contacto directo y de forma segura, mediante un tratamiento de bajo costo. Debido a que la calidad en los lodos residuales tratados con E. foetida tampoco cumplió con las especificaciones establecidas para uso forestal, mejoramiento de suelos o uso agrícola, es necesario realizar pruebas en las que se incremente la relación concentración/ tiempo de contacto de lombriz californiana, para poder llegar a disminuir el contenido de Salmonella spp. Asimismo, es importante la altura de la cama, ya que se ha observado que la granulometría fina que presentan los LR es una probable causa de la baja remoción de microorganismos patógenos.

Otros resultados sugieren que el lodo residual fresco pude ser utilizado como sustrato para la cría y reproducción de lombriz californiana, obteniendo un compost de mayores capacidades fertilizantes en cuanto a materia orgánica, en comparación con el lodo obtenido en tratamientos alcalinos.

 

* Universidad Autónoma de Tamaulipas.

Contacto: bmaciash@docentes.uat.edu.mx

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