Monitoring indicators and pathogenic microorganisms into two stabilization pond systems in the high valley of Cochabamba

Mercedes Iriarte Puña1 Alvaro Rodolfo Mercado2 Matthew E. Verbyla3 Gloria Fuentes 2 Juan Pablo Rocha 2 Milton Almanza 2 Dirección de contacto: Calle Sucre y Parque La Torre Facultad de Ciencias y Tecnología – UMSS – Cercado – Barrio San Pedro - Cochabamba – Bolivia Tel.: 591(4)4250660 – Fax: 591(4)4229480. e-mail: [email protected] ABSTRACT, In Latin America there is a tendency to use untreated wastewater for irrigation of crops, so the model of wastewater management focuses on health as a priority in the removal of pathogens. This paper aims to contribute to the production of information on the presence and concentration of indicator organisms and pathogens in influent and effluent of two systems of stabilization ponds treatment plants Punata and Arani municipal wastewater treatment plants. Six sampling campaigns were carried out, covering summer and winter time. Flow and water depths in the lagoons of treatment plants were measured, along with a general inspection of the same. It was demonstrated that both treatment plants do not have routine maintenance; anaerobic lagoons are partially filled with sediment and supernatant foam. The most frequently found pathogens were Giardia, helminths eggs including Ascaris and Taenia are in a higher percentage in both treatment plants and eventually Cryptosporidium. There is a higher percentage of parasites removal in summer time, except as noted in Punata treatment plant where the removal percentage was less than 50 % of helminth eggs in the winter time. There was no significant removal of E.coli. Retention times should be verified in both wastewater treatment plants and both systems should be improved.

KeyWords: E. coli, phages, parasites, wastewater treatment

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Centro de Aguas y Saneamiento Ambiental (CASA), Universidad Mayor de San Simón, docente investigador, formación en Ciencias Biológicas en la UMSS con maestría en Microbiología UMSS – CIUF (Bélgica). Docente de la carrera de Biología en Bacteriología y Microbiología de aguas y alimentos, docente de postgrado en Microbiología de aguas y ambiental en la UMSS. Responsable del laboratorio de microbiología del CASA y de proyectos de investigación . [email protected] 2 Centro de Aguas y Saneamiento Ambiental (CASA), Universidad Mayor de San Simón. Cochabamba, Bolivia 3 Department of Civil and Environmental Engineering, College of Engineering, University of South Florida, Tampa, Florida, EEUU.

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MONITOREO DE MICROORGANISMOS INDICADORES Y PATÓGENOS EN DOS SISTEMAS DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN EN EL VALLE ALTO DE COCHABAMBA Resumen En América Latina hay una tendencia al uso de agua residual sin tratar para riego de cultivos, por lo que el modelo de gestión de aguas residuales se enfoca en la salud, como prioridad en la remoción de microorganismos patógenos. El presente trabajo pretende coadyuvar con la producción de información sobre la presencia y concentración de microorganismos indicadores y patógenos, en la entrada y salida de dos sistemas de lagunas de estabilización de plantas de tratamiento de aguas residuales municipales de Punata y Arani del departamento de Cochabamba. Seis campañas de muestreo fueron realizadas, abarcando época de verano e invierno. Se han obtenido datos de caudales y profundidades del agua en las lagunas de las plantas de tratamiento, además de una inspección general de las mismas. Se evidenció que ambas plantas de tratamiento no tienen mantenimiento rutinario, las lagunas anaerobias están colmatadas con sedimentos y con espuma sobrenadante. Los patógenos más frecuentemente encontrados, fueron Giardia, huevos de helmintos entre los cuales Ascaris y Taenia están en mayor porcentaje en ambas plantas de tratamiento y finalmente Cryptosporidium. Se observa un mayor porcentaje de remoción en época de verano de parásitos, a excepción de lo observado en la planta de tratamiento de Punata donde el porcentaje de remoción fue menor al 50% de huevos de helmintos en la época de invierno. No se observó una remoción significativa de E. coli. Es necesario verificar tiempos de retención del agua residual en ambas plantas de tratamiento y realizar mejoras del sistema. Palabras clave: E. coli, colifagos, parásitos, tratamiento de aguas residuales

Introducción La disposición de los recursos de agua está incrementando por el crecimiento de la población, por los cambios en los patrones de precipitación, y/o degradación de la existencia de las fuentes de agua (US, EPA 2004; WHO, 2006). Para aliviar estos problemas se está utilizando el agua residual, la cual contiene un amplio rango de microorganismos (Costán Longares, et al., 2008) y comúnmente es descargada con poco o ningún tratamiento. Los agricultores de países en desarrollo necesitan agua para riego y a menudo no existe otra opción que usar el agua residual, además porque provee de nutrientes o es más rentable y barato que otras fuentes de agua. A pesar de estas razones el uso de las aguas puede significar un severo riesgo a la salud humana y al ambiente (Qadir et al. 2010). En América Latina hay una tendencia al uso de agua residual sin tratar para riego de cultivos y los efectos en la salud pública de las enfermedades relacionadas a las excretas humanas han sido muy significativos. Egocheaga y Moscoso (2004) proponen que el modelo de gestión de aguas residuales debe enfocarse en la salud, como prioridad en la remoción de microorganismos patógenos. Al presente, no existe información en Bolivia de la calidad microbiológica del agua de riego, sin embargo se incrementa la evidencia de la contaminación producida por su uso y el incremento de la escasez de agua (Rudolf Amann et al. 1997). Por otro lado el tipo y abundancia de los patógenos transmitidos por el agua varia grandemente entre los países, por lo que es fundamental identificar los microorganismos que pueden ser de preocupación para la salud en caso de reutilización del agua en la región específica de interés (Jiménez, 2003). En el marco del Plan Nacional de Desarrollo de Bolivia (MPD 2011), la reutilización de aguas residuales tratadas se reconoce como un medio válido de adaptación en respuesta a la gran contaminación de las aguas superficiales, la creciente demanda de agua en las zonas urbanas y el cambio climático inminente. El programa boliviano de Adaptación al Cambio Climático también recomienda la incorporación de la reutilización del agua en la planificación de la ciudad, sobre todo por la baja cobertura de la infraestructura de agua y saneamiento en Bolivia (MMAyA 2011). El presente trabajo pretende coadyuvar con la producción de información de la presencia y concentración de microorganismos indicadores y patógenos en la entrada y salida de dos sistemas de lagunas de estabilización. La finalidad del trabajo es proporcionar uno de los instrumentos necesarios importantes a aquellas personas e 2

instituciones implicadas en la temática, para la adopción de tecnología, mejora y manejo de estos sistemas, para disminuir el impacto a la salud y medio ambiente. Para cumplir con ello los objetivos planteados son: Detectar la presencia de indicadores E. coli y colifagos Detectar la presencia de parásitos protozoarios Giardia, Cryptosporidium y huevos de helmintos Determinar la remoción de los indicadores y parásitos patógenos en dos sistemas de lagunas. Metodología Los municipios de Arani y Punata se encuentran en una región semiárida del Valle alto de Cochabamba, Arani está localizada a una altura de 2865 msm, con una población aproximada de 3500, Punata está localizada a una altura de 2552 msm, con una población aproximada de 14000 habitantes. Ambas regiones tienen como cultivos principales, maíz y alfalfa. El muestreo fue llevado a cabo en dos plantas de tratamiento de aguas residuales municipales de Punata y de Arani, los cuales consisten de sistemas de lagunas de estabilización. Los puntos de muestreo fueron los afluentes y efluentes de ambas plantas. Los microorganismos para el estudio fueron seleccionados en base a su capacidad de sobrevivencia en el medio ambiente, los más conocidos por su patogenicidad, importancia y como referencia para las guías internacionales para el reúso de las aguas (OMS 1989 y 2013). La presencia de E. coli, colifagos, Giardia, Cryptosporidium y huevos de helmintos fueron monitoreados en 6 campañas de muestreo (octubre, noviembre y diciembre 2012, marzo, abril y mayo 2013), abarcando épocas de verano e invierno. El trabajo de laboratorio se realizó en el Centro de Aguas y Saneamiento Ambiental (C.A.S.A.) de la Universidad Mayor de San Simón, Cochabamba, Bolivia. Para el análisis de E. coli se utilizó el filtro de membrana (APHA et al. 1995) y se incubó en un medio diferencial y selectivo mTec agar (Difco), Colifagos fue detectado en base al Standard Methods for the examination of water and wastewater (1995). Giardia y Cryptosporidium fueron detectados por el método EPA 1623 (EPA 2005), utilizando para el aislamiento de los parásitos el kit Dynabeads GC-Combo de Dynal Biotech y para la observación al microscopio de los oo/quistes aislados, se utilizó la tinción de inmunofluorescencia para Cryptosporidium/Giardia de Merifluor. Los huevos de helmintos fueron determinados por el método modificado en el Centro de Aguas y Saneamiento Ambiental bajo la versión del Estándar Métodos de México (Secretaria de Comercio y Fomento Industrial 1999). Se realizó una medición de caudales y de profundidades del agua en las lagunas de las plantas de tratamiento de Arani y de Punata, además de una inspección general de las mismas. El caudal promedio en la planta de tratamiento de Punata fue de 31.6 l/s, el tiempo de retención teórica aproximadamente de 2,6 días, no todas las lagunas están funcionando, Figura 1. El volumen de agua tratada es baja por la acumulación de lodos a lo largo de su tiempo de funcionamiento.

Figura1. Esquema de la planta de tratamiento de Punata El caudal promedio en la planta de tratamiento de Arani fue de 8,656 (L/s), con un tiempo de retención de 20.7 horas.

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Resultados y discusión Ambas plantas de tratamiento tienen un tratamiento preliminar, lagunas anaerobias, lagunas facultativas y de maduración. Araní: 2 anaerobias, 2 facultativas, 2 de maduración; Punata: 2 anaerobias, 2 facultativas, 3 de maduración. La inspección de las plantas de tratamiento indica que ambas plantas no tienen mantenimiento rutinario, no tienen cámaras de rejas por lo que la basura (bolsas, pañales y otros) pasan directamente hacia las lagunas anaerobias, haciendo que esta no cumpla su función, por lo que las lagunas anaerobias se encuentran colmatadas con sedimentos y con espuma sobrenadante. En Arani el ingreso de las lagunas anaerobias ha sido dañado, y el ingreso es superficial, una laguna facultativa no tiene flujo. En Punata solo tres de las siete lagunas presentan flujo debido a la colmatación de las cámaras que conectan las lagunas. La colmatación y falta de flujo en los sistemas de lagunas de ambas plantas de tratamiento estudiadas en Arani y Punata, inciden en la reducción del tiempo de tratamiento y por tanto en la eficiencia de remoción en los distintos parámetros de control. La detección y presencia de microorganismos patógenos e indicadores en las dos plantas de tratamiento se presentan en la tabla 1. Los patógenos más frecuentemente encontrados, fueron Giardia spp., (Fotografía 1.), huevos de helmintos entre los cuales Ascaris (Fotografía 2.) y Taenia están en mayor porcentaje en ambas plantas de tratamiento y finalmente Cryptosporidium spp. Se observa un mayor porcentaje de remoción en época de verano de parásitos y huevos de helmintos, a excepción de lo observado en la planta de tratamiento de Punata donde el porcentaje de remoción fue menor al 50% de huevos de helmintos en la época de invierno. Schuval et al., (1986) concluyeron que las infecciones por huevos de helmintos constituyen el riesgo más peligroso para la salud en relación con el tratamiento de las aguas residuales cuando se utiliza el efluente para riego. Después de las infecciones por helmintos (riesgo elevado) en orden de riesgo están las de protozoarios (medio elevado), bacterias (medio) y finalmente virus (mínimo), criterios aceptados por la OMS (1989). Se observa una concentración elevada de E. coli en la entrada de la planta de Arani en la época de verano, presentando valores más bajos en Punata para ambas épocas. No se observa una remoción del indicador bacteriano E. coli mayor al 99.9% en ninguno de los casos y para ambas plantas de tratamiento. Colifagos se presenta en menor concentración que E. coli, pero presenta similar comportamiento. Al respecto el bacteriófago F-especifico es un buen indicador de virus patógeno humano, deberá estar siempre en altas concentraciones y será capaz de persistir igual o mejor que el patógeno y podrán tener la misma o similar fuente (Gillian. D. Lewis, 1995). Tabla 1. Concentración de microorganismos patógenos e indicadores PUNATA

Verano Afluente

Efluente

E.coli UFC⁄100ml

8,20E+05

1,00E+05

Colifagos UFP/100ml

6,10E+03

2,00E+03

Giardia quistes/l

3,00E+03

Cryptosporidium ooquistes/l

1,00E+02

Huevos helmintos⁄l

8,00E+02

ARANI

Invierno % de remoción

Afluente

Efluente

87,8

4,40E+06

4,32E+05

90,0

67,2

1,00E+05

3,00E+03

98,0

6,00E+01

97,9

2,00E+03

2,00E+02

90,3

2,00E+00

98,7

1,00E+01

5,00E+00

89,0

3,00E+02

58,4

4,00E+02

2,00E+02

45,0

Verano Afluente

Efluente

E.coli UFC⁄100ml

1,80E+08

5,10E+05

Colifagos UFP/100ml

6,00E+05

2,60E+05

Giardia quistes/l

2,00E+03

Cryptosporidium ooquistes/l Huevos helmintos⁄l

% de remoción

Invierno % de remoción

Afluente

Efluente

% de remoción

99,7

5,60E+05

6,50E+05

88,3

56,7

2,00E+04

8,10E+04

61,4

8,50E+01

96,5

2,00E+03

2,30E+02

88,5

1,20E+02

8,00E+00

93,7

3,40E+01

8,00E+00

76,4

6,90E+02

1,20E+02

82,1

4,00E+03

1,30E+03

68,1

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Las concentraciones elevadas de E. coli en los efluentes representan el mal funcionamiento de ambas plantas, sin embargo podrían también representar a poblaciones provenientes de animales de sangre caliente que merodean las lagunas, puesto que la protección de las plantas no es adecuada y el ingreso de animales a las mismas es muy probable, por otra parte podría existir reproducción bacteriana en las lagunas a lo largo del tiempo. Al respecto Oakley (2010) indica que coliformes fecales y E. coli son especies limitantes cuando se los utilizan como indicadores de patógenos para plantas de tratamiento de aguas residuales y especialmente en lagunas de estabilización, por lo que el monitoreo de parásitos especialmente helmintos sería mejor como indicador de la eficiencia de lagunas en la remoción de patógenos relacionados a los excrementos humanos, así mismo Rose et al, (1991) e Hijnen et al, (2007) demostraron que los indicadores clásicos no proveen una adecuada predicción de la presencia de parásitos, sin embargo es de utilidad para predecir la presencia de bacterias patógenas, tal como han demostrado varias investigaciones citadas por Oakley (2005), donde la concentración de coliformes fecales en efluentes por 3 ciclos log10, no presentaban ninguna concentración de bacterias patógenas significativa, incluida la del cólera, por lo que recomiendan una remoción mínima de 3 ciclos log10 de coliformes fecales en un sistema de lagunas en serie. En el presente trabajo se presentó una reducción de 1 log10 como valor medio tanto para E. coli como colifagos, lo cual puede representar un riesgo potencial de la presencia de bacterias y virus patógenos para el humano.

Fotografía 1. Giardia spp. unido a perlas, 100 x

Fotografía 2. Huevos de Ascaris en diferentes estados, 40x

En un monitoreo llevado a cabo en Honduras (2003-2004), en 10 sistemas de plantas de tratamiento por lagunas de estabilización, se observó que en la mayoría de los sistemas el tiempo de retención fue menor a 10 días, (no está de acuerdo con las recomendaciones de la OMS) y con caudales muy por encima de los recomendados por sus diseñadores, a pesar de ello se determinó que existe buen mantenimiento físico de las plantas y se observó una gran funcionalidad de los sistemas en la remoción de E. coli y huevos de helmintos, con valores medio de 2.71E+7 NMP/100ml (afluente) y 2.89E+4 NMP/100ml (efluente) y un rango de 42-133 Hh/L (afluente) en verano y efluente de 0 Hh/L y 24-48 Hh/L (afluente) en invierno y 0 Hh/L efluente, respectivamente. En algunos casos se han observado valores en el efluente de 22-42Hh/L (Oakley y Salguero, 2011). Las concentraciones elevadas de huevos de helmintos, Giardia y Cryptosporidium en los efluentes de ambas plantas estudiadas en el presente trabajo, representan un riesgo microbiológico grande, sobre todo considerando que dichos microorganismos no son indicadores, sino son patógenos. La presencia de Ascaris y Tenias nos da una idea de la prevalencia de estas afecciones en los pobladores de la región. Un ejemplo importante; Taenia sp., es un microorganismo que puede producir la llamada “cisticercosis”, que entre otros síntomas, puede producir la epilepsia, este microorganismo se contrae por consumo de carne de cerdo contaminada, (Barragán et al., 1986). La población del Valle en general tiene como uno de sus componentes alimenticios de preferencia, la carne de cerdo, sobre todo en el plato llamado “chicharron”, cocción que no garantiza muchas veces la eliminación de este parásito. Estos parásitos encontrados deberán llamar la atención de los pobladores, autoridades, contribuir a un mayor conocimiento de los riesgos que constituyen la presencia de estos microorganismos y fomentar una mayor investigación al respecto. En las dos plantas de tratamiento estudiadas se ha observado que los problemas que se presentan a lo largo de todo el sistema pueden ser mejorados con un buen programa de mantenimiento y con ello mejorar la remoción de microorganismos patógenos. A pesar del mal funcionamiento de las plantas, las remociones encontradas fueron mayores al 50%. La figura 2 muestra las concentraciones elevadas de especies de Giardia con una reducción en el efluente, siendo más representativo en verano que en invierno, probablemente debido a la radiación solar y temperaturas elevadas que inciden sobre las lagunas de estabilización en esta época del año, (más de 30°C temperatura ambiente), la presencia de especies de Cryptosporidium como es corriente, se encuentran en menor 5

concentración en relación a Giardia spp., observándose el mismo comportamiento en el efluente. Ligeramente las concentraciones de ambos microorganismos son mayores en Punata, posiblemente por la mayor población que descargan las aguas al sistema. Existe similar comportamiento con los huevos de helmintos para ambas plantas de tratamiento.

Figura 2. Concentración de parásitos en plantas de tratamiento de Arani y Punata Egocheaga y Moscoso (2004) indican que para una buena remoción de microorganismos patógenos una de las mejores opciones tecnológicas son las lagunas de estabilización, con un alto nivel de remoción de patógenos y con mínimos recursos para su diseño, construcción, operación y mantenimiento, haciéndolo sostenible en vez de un problema de salud pública. Así mismo un plan de monitoreo, mantenimiento y el uso de las normas de la OMS podrían dar la posibilidad real de usar el agua residual doméstica en actividades productivas, tales como el riego de cultivos. Conclusiones La presencia y concentración de huevos de helmintos y parásitos patógenos a la salida de ambas plantas de tratamiento representan un riesgo para los agricultores, ninguna de las muestras obtenidas en las plantas de tratamiento de Arani y Punata cumple con los criterios mínimos de las directrices de la OMS (1989, 2013) para el uso de las aguas residuales para riego, la cual indica que la concentración de huevos de helmintos deberá ser ≤ 1huevos/L para la categoría C que corresponde al caso de estas dos localidades, donde la mayor parte los cultivos corresponde a cereales, praderas, forrajeras y árboles y donde el principal grupo expuesto son los trabajadores. Los mencionados cultivos, de mayor abundancia tanto en Punata como en Arani, reciben agua residual del efluente de las plantas de tratamiento en las áreas cercanas, según las mismas directrices, para el caso observado de tipo de cultivo, no se necesitará tomar en cuenta a los indicadores bacterianos, sin embargo se recomienda su disminución. La inspección de las plantas de tratamiento mostro que no existe mantenimiento rutinario, lo que incide en el flujo hidráulico, reduciendo los tiempos de tratamiento. Dado que las lagunas de estabilización se caracterizan por tiempos de retención de más de 5 días, la remoción de los microorganismos sedimentables como ser Giardia, Cryptosporidium y huevos de helmintos, está asociada a este tiempo de retención. La planta de tratamiento de Arani presenta mayor remoción que la planta de tratamiento de Punata, lo cual también indicaría poco tiempo de retención en las lagunas de tratamiento o deficiencias en la operación y mantenimiento. Un buen programa de monitoreo y mantenimiento de las plantas de tratamiento puede llevar a la obtención de buenos resultados en la remoción de patógenos.

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Recomendaciones Se deberá verificar el tiempo de retención del agua residual en las plantas de tratamiento. Adicionalmente, en lagunas de tratamiento debería haber por lo menos 1 a 2 órdenes logarítmicos de remoción de bacterias. Es necesario realizar un mantenimiento que incluya: habilitar la cámara de rejas, retirar los lodos excedentes, limpiar las cámaras de paso entre lagunas de estabilización para mejorar los sistemas de tratamiento, además de establecer un plan de monitoreo de operación y mantenimiento rutinarios de las plantas de tratamiento. Realizar monitoreo continuo de los microorganismos patógenos sobre todo Huevos de helmintos, Giardia y Cryptosporidium.

Agradecimientos.- Este trabajo ha sido realizado bajo el soporte económico de la Agencia para el Desarrollo Internacional “USAID” y la administración de “The National Academy of Sciences” “NAS” de Estados Unidos, con el número de subfinanciamiento: PGA – 2000001988. Agradecemos al Dr. James Mihelcic del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad del Sur de la Florida. A los estudiantes y tesistas del proyecto PEER y personal técnico Dn. Emilio Mamani, Dulio Orellana del Centro de Aguas y Saneamiento Ambiental de la Universidad Mayor de San Simón por el apoyo en el trabajo de campo. Referencias bibliográficas American Public Health Association (APHA), 1995 Standard Method for the examination of water and wastewater, 19th Edition, America Public Health Association, Washington, D.C. Barragán, M. E., Arce, J., De la Quintana, M., Duran, J. C., Matienzo, D., Machicao, E., Yucra, G., Botelho, S., Aitken, P., Endara, J., Pinto, S., and Zamora, M. 1986. “Prevalencia de la teniasis y la cisticercosis en Bolivia: Datos y consideraciones preliminares.” Cuadernos, 32(2), 34–38. Costan-Longares A, Montemayor M, Payán A. Méndez J, Jofre J, Mujeriego R., 2008. Microbial indicators and pathogens: Removal, relationships and predictive capabilities in water reclamation facilities. Water Research, 42(17): 4439-4448 Dan li, Ziyu Zeng, April Z. Gu, Miao He, Hanchang Shi. 2013 Inactivation, reactivation and regrowth of indigenous bacteria in reclaimed water after chlorine disinfection of a municipal wastewater treatment plant. Journal of environmental Sciences. 25(7) 1319-1325 Egocheaga, L y Moscoso, J. 2004 Una estrategia para la gestión de las aguas residuales domésticas, CEPIS/OPS, Lima Environmental Protection Agency (EPA) 2005 Method 1623: Cryptosporidium and Giardia in water by filtration/IMS/FA 52 pp Gillian. D. Lewis, 1995 F-especific bacteriophage as an indicator of human viruses in natural waters and sewage effluents in northern New Zeland. Wat.Sci. Tech Vol.31 ( 5), 6pp 231 -234 Hijnen, W., Dullemont, Y., Schijven, J., Hanzens-Brouwer, A., Rosielle, M., Medema, G.-, 2007. Removal and fate of Cryptosporidium parvum, Clostridium perfringens and small size centric diatoms (Stephanodiscus hantzschii) in slowsandfilter, Water, Res. 41, 20051-22162 Horman, A., Rimhanen_Finne, R., Maunula, L., Bosdorff, C.H., Torvela, N., Heikinheimo, A., Aniñen, M.L., 2004 Campilobacter spp, Giardiaspp., Cryptosporidiums pp. Norovirus, and indicator organisms in surface water in south wester Finland (200-2001). Appl. Environ. Microbiol 70, 87-95 Moscoso Agreda, O., y Coronado Rocha, O. 2002 Sistemas integrados de tratamiento y uso de aguas residuales en América Latina: Realidad y Potencial. CASA- UMSS. Cochabamba, Bolivia. Oakley, Stewart 2005 Lagunas de estabilización en Honduras. Manual de diseño, construcción, operación y mantenimiento, monitoreo y sostenibilidad. Oakley, Stewart. 2010 Remoção de lodos de lagoas de estabilização primárias: um problema na sustentabilidade para cidades e municípios pobres. 26º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental (pág. 13). ABES. Oakley, Stewart y Louis Salguero. 2011 Tratamiento de aguas residuales domésticas en Centro América. Un manual de experiencias, diseño, operación y sostenibilidad

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