SOLUÇÃO:
Para resolver esse problema, criei um virtualenv atualizado com um python (python 3.3) especificado e usei o instalador correto (easy_install-3.3, aparentemente específico da versão do Python) para adicionar os módulos. Como verificado pela versão de correção do pip (pip3.3), parece estar funcionando agora
root@server [~] easy_install pip
root@server [~] pip install virtualenv virtualenvwrapper
root@server [~] virtualenv --python=/usr/local/bin/python3.3 py3
root@server [~] . /root/py3/bin/activate
(py3)root@server [~] easy_install-3.3 numpy
(py3)root@server [~] easy_install-3.3 scipy
(py3)root@server [~] easy_install-3.3 pandas
(py3)root@server [~] easy_install-3.3 scikit-learn
(py3)root@server [~] easy_install-3.3 PyMySQL
(py3)root@server [~]# pip3.3 freeze
PyMySQL==0.6.2
numpy==1.8.1
pandas==0.14.0
pexpect==3.2
pyinotify==0.9.4
python-dateutil==2.2
pytz==2014.4
scikit-learn==0.15.0b1
scipy==0.14.0
scpy==1.1.4
six==1.6.1
Meu script agora é executado como esperado no meu ambiente virtual.