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INTRODUCCION
La desinfección es un proceso importante dentro de un sistema de tratamiento de agua, independientemente de su fuente. Se busca a partir de ella la eliminación de microorganismos existentes que puedan causar enfermedades 1. Estudios realizados por la Organización Mundial de la Salud (OMS) han detectado altos niveles de coliformes totales y coliformes fecales en agua lluvia 2, lo que evidencia la necesidad de implementar procesos de tratamiento que sirvan como una alternativa de desinfección.
La fotocatálisis heterogénea, es una alternativa de desinfección solar, a partir de la absorción de longitudes de onda inferiores a 400 nm 3) y 4 en presencia de un catalizador 5. La luz y el catalizador son necesarios para alcanzar o acelerar una reacción química con el objeto de formar radicales hidroxilo 6)-(9. Este mecanismo de desinfección se basa en un fenómeno físico por el cual las ondas cortas de la radiación ultravioleta 3) producen una división entre la pared de la célula y la membrana de los microorganismos y los virus, lo cual deteriora su membrana celular e inhibe su reproducción (10), y esto genera su eliminación sin causar cambios fisicoquímicos que puedan alterar el agua tratada 3
El catalizador más ampliamente usado es el dióxido de titanio (TiO2), en forma de anatasa un 99 % y en forma de rutilo un 1 % 6)-(11. El dióxido de titanio (TiO2) no es tóxico ni genera subproductos cancerígenos 7) y entre sus propiedades ópticas se encuentra como una substancia con un índice de refracción alto, lo que permite reflejar la luz UV 4. Fisicoquímicamente las aguas tratadas por fotocatálisis heterogénea incluyen de forma especial pH a diferentes rangos 5)-(12, variaciones de temperatura sin afectar significativamente la velocidad de las reacciones 10 y turbiedades no mayores a 5 UNT 3. El ion inhibidor de mayor influencia es el fosfato, puesto que impide la adsorción de aminoácidos sobre las partículas de TiO2, los carbonatos y otras especies que pueden reaccionar con los radicales hidroxilo; de esta manera, compite con los microorganismos y reduce la eficiencia del fotocatalizador 13.
El uso de reactores de lecho fijo es común para reacciones catalíticas, ya que pone en contacto el catalizador con el reactante para que la reacción se produzca de manera idónea. En estos, las partículas dispuestas en un lecho a través del cual el fluido circula están inmovilizadas y, por tanto, en íntimo contacto unas con otras 14.
Otra de las múltiples aplicaciones de la desinfección solar es la pasteurización, conocida como Solar Water Disinfection (SODIS) 3)-(15, la cual se basa en un proceso térmico que consiste en elevar la temperatura del agua por un tiempo suficiente en contenedores preferiblemente de color negro, con lo cual se logra la absorción y conservación del calor proveniente de la radiación solar (3). Se ha comprobado que un incremento de la temperatura tiene gran incidencia sobre todos los microorganismos; en general, la mayoría de las bacterias mueren aproximadamente a 65 °C en tiempo determinado de 30 minutos 3.
La participación de la luz solar en la eliminación de productos químicos de síntesis del ambiente está bien documentada en los muchos artículos publicados en los últimos años. 16. Algunas investigaciones apuntan al tratamiento de aguas residuales industriales especialmente, y obtienen reducciones entre 6 y 46 % de la demanda química de oxigeno (DQO), la cual hace referencia a la cantidad de sustancias susceptibles a la oxidación de compuestos químicos presentes en el agua 17 y carbono orgánico total (COT), que determina la cantidad de carbono representativo dentro de un compuesto orgánico con porcentajes de degradación cercanos al 98% 11.
La fotocatálisis es una tecnología que podría aportar soluciones innovadoras para la desinfección del agua. Así, por ejemplo, la aplicación de un sistema fotocatalítico después de un tratamiento físico como la filtración representa un acople con gran potencial para eliminar los microorganismos presentes en el agua 18.
En estimaciones sobre las concentraciones de SODIS con dióxido de titanio (TiO2) correctas, se calcula que no existe diferencia significativa con valores entre 0,288, 0,5011 y 1,0073 mg/ml, puesto que hay eliminación de coliformes en cualquiera de los casos 13. Sin embargo, diferentes autores atribuyen otras concentraciones mayores entre rangos como 2g L-1 y 1g L-1 en un reactor con lámparas de agitación y en 100 mg L-1 en reactores con radiación solar 15. Es decir, las concentraciones varían dependiendo de la técnica empleada.
En el método SODIS convencional, la eliminación de microorganismos se realiza en más de una hora, mientras que en presencia del catalizador tarda tan solo unos pocos minutos 13)-(15. Estos métodos de desinfección en general son mayormente empleados en zonas rurales por su bajo costo y su fácil implementación 19. Empero, factores como la geografía, el estado del tiempo, el número de horas de exposición, el volumen y el material de los envases que contienen el agua, la turbiedad y el color son, entre otros, los parámetros que podrían interferir en una desinfección oportuna 3.
Las regiones más favorables para aplicar SODIS se ubican entre las latitudes 15°N y 35°N (así como 15°S y 35°S), la turbiedad del agua no debe exceder los 30 UNT, los recipientes empleados son botellas de polietileno de tereftalato (PET) transparentes de hasta 2L y se deben exponer de 5 a 6 horas bajo un cielo soleado o ligeramente nublado desde las 9 a. m. hasta las 3 p. m., puesto que, cumpliendo estas condiciones, la eficacia de SODIS para la pasteurización es del 99,9 % 20. No obstante, Castillo, López y Bandala 21) pronostican que la comunidad científica internacional continuará observando el desarrollo de la inversión en esta área, puesto que aún resulta insuficiente la investigación.
Lo anterior sirvió de base para diseñar, construir y evaluar un sistema de desinfección solar de agua con bajos niveles de turbiedad a partir de fotocatálisis heterogénea y pasteurización, para agua lluvia.
La determinación de microorganismos presentes en el agua, más específicamente coliformes totales o fecales, se realizó por medio de placas petrifilm, las cuales dan resultados confirmados entre 24 a 48 horas 22
1. MATERIALES Y MÉTODOS
1.1 Fuente de captación
La fuente de abastecimiento del sistema de desinfección solar correspondió al agua lluvia. Para su tratamiento, se adecuaron instalaciones de una vivienda para su captura y conducción. Se caracterizaron como parámetros in situ turbiedad, pH, temperatura, conductividad y solidos disueltos. El estudio se realizó entre las coordenadas geográficas 4°16'57'' y 4°23'28'' de latitud Norte y 74°10'57'' y 74°13'23'' longitud Oeste, según el meridiano de Greenwich.
También se valoraron, como se muestra en la Tabla 1, los parámetros acidez, alcalinidad, dureza, aluminio, hierro, nitritos, nitratos, fosfatos, fluoruros y solidos suspendidos totales; a partir de muestreos puntuales, en respuesta a la resolución 2115 de 2007,1 y condiciones idóneas de preservación, custodia y transporte de muestras.
1.2. Diseño y construcción del sistema
Las unidades de tratamiento consideradas para el sistema propuesto se exponen en la Fig. 1
Fuente: elaboración propia.
Fig. 1 Diagrama de flujo del sistema: 1) canales de captación de agua lluvia; 2) tanque interceptor de primeras aguas; 3) tanque de almacenamiento de agua lluvia; 4) filtro lento de lechos áridos; 5) sistema de desinfección solar, a) fotocatálisis heterogénea y b) pasteurización; 6) sistema de recirculación; 7) tanque de distribución final.
1.2.1. Captación de aguas lluvia
Para estimar las necesidades de captación y almacenamiento del efluente, primero se calcularon los valores de precipitación promedio completando los registros faltantes por el método aritmético 23, con base en información de las estaciones meteorológicas y pluviométricas más cercanas a la zona, pertenecientes al Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (Ideam).
El proceso de cálculo y diseño respondió a la metodología definida por el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (Cepis) 24. Con esto se obtuvo el volumen del tanque de almacenamiento, un tanque interceptor de primeras aguas y el porcentaje de la demanda mensual por abastecer.
El tejado que recoge el agua lluvia es de material zinc; las canales, de aluminio; los tanques de almacenamiento e interceptor son comerciales y de plástico. La tubería del sistema es totalmente de PVC con diámetros de 3 4 " y 1 2 " (ver Fig. 2).
1.2.2. Filtro lento de lechos áridos
Entendiendo las necesidades para el tratamiento asociadas a niveles bajos de turbiedad, se diseñó un filtro con lechos áridos de grava fina (3 mm) y arena (1mm) que retienen partículas (25), y se compró a la empresa FiltraH2o Ltda. La capacidad instalada del filtro se determinó aforando el caudal máximo de operación, por el método volumétrico (26) y fue regulado por medio de una válvula de bola de V2".
1.2.3. Desinfección solar por fotocatálisis heterogénea y pasteurización
Para la construcción e implementación de las unidades de fotocatálisis heterogénea y pasteurización se definieron su geometría y óptica (27). La geometría respondió a una inclinación de 5° en dirección Oriente-Occidente, teniendo en cuenta la posición del Sol y la latitud en la zona, y así favorecer la radiación efectiva sobre la unidad en dicha dirección. En investigaciones para sistemas que emplean TiO2 en suspensión, la sedimentación del catalizador a lo largo del circuito hidráulico debe evitarse, por lo que se recomiendan diámetros entre 25 y 50 mm (28). Sin embargo, en este caso el diámetro (27) se fijó experimentalmente en 20 mm para evitar problemas con la absorbancia del TiO2, que impiden que la radiación llegue completa a la parte interna del tubo, puesto que se planteó un sistema de lecho fijo.
La óptica se manejó a partir de la implementación de vidrio tipo Pyrex, con buenas garantías de transmitancia (Fig. 3) e importante captura de rayos UV; así, se mantuvieron las necesidades para la reacción fotocatalítica para radiación cuya longitud de onda sea menor a 400 nm (3), (4).
En la pasteurización se implantó tubería en PVC de 3 4 " negro para aumentar la temperatura del agua a partir de la absorción de calor.
Estos dos tipos de desinfección solar se situaron sobre una base de aluminio compuesta por cinco tubos de vidrio Pyrex para la fotocatálisis heterogénea y cinco tubos de PVC negros para la pasteurización.
2. CATALIZADOR
El catalizador empleado fue Dióxido de Titanio en forma de anatasa 99 % (TiO2)2, dispuesto a modo de esferas entrelazadas de masilla epoxica (10-15 mm de diámetro) recubiertas con TiO2 como lecho fijo al interior de los tubos de vidrio Pyrex (Fig. 4).
3. VARIABLES DE EVALUACIÓN
Se tomaron muestras concretas en el afluente y en el efluente. Posterior a esto, se hizo un análisis de laboratorio en el Centro Tecnológico de Ambiente y Sostenibilidad de la Universidad de La Salle de características físicas, químicas y microbiológicas, teniendo en cuenta las mismas consideraciones del numeral 1.1.
Las principales variables que influyen en la desinfección se presentan en la Tabla 2. De acuerdo con estas, se estableció el número de muestreos y de muestras por realizar.
El número total de muestras se determinó teniendo en cuenta la variabilidad climática de la zona.
4. EVALUACIÓN DEL SISTEMA
Se comprobó la influencia de las variables que se presentan en la Tabla 3, siguiendo el comportamiento de la turbiedad en la entrada, en la filtración y en la desinfección en términos de la carga hidráulica. Se emplearon dos cargas hidráulicas diferentes durante esta etapa, una correspondiente al caudal máximo de operación, es decir, el flujo de agua que pasa por el sistema cuando la válvula reguladora está abierta en su totalidad, y otra que se encuentra dentro del rango de tasas de filtración recomendadas para filtros lentos (2,4-7,2 m3/m2.dia) (29).
La presencia o ausencia de coliformes, la temperatura y el índice de radiación también son variables en función de la carga hidráulica. Sin embargo, se estudió el comportamiento de la incidencia de la radiación y la temperatura en la eliminación de microorganismos; asimismo, la influencia de la turbiedad en el paso de la radiación dentro del sistema de fotocatálisis heterogénea.
Las mediciones in situ fueron realizadas para obtener estados del tiempo aleatorios y estudiar la incidencia en la desinfección de acuerdo con el comportamiento de las variables mencionadas. Se verificó el cumplimiento de la resolución 2115 de 2007 de los parámetros señalados en el numeral 1.1. En la Tabla 3 se presentan las mediciones realizadas y los métodos empleados.
Al obtener el índice de radiación se determina la longitud de onda correspondiente (ver Tabla 4).
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
5.1 Comportamiento de variables de evaluación
La operación y medición del sistema se realizó aleatoriamente dos días a la semana durante un mes, para obtener diferentes condiciones climáticas y meteorológicas; así, se tomaron ocho mediciones in situ y dos ex situ. Se describe a continuación la evaluación de los parámetros muestreados.
5.1.1. Turbiedad
La Fig. 5 presenta las mediciones de turbiedad para dos valores de carga hidráulica, a) 63,36 m3 m 2 dia1 y b) 6,9 m3 m 2 d-1.
El comportamiento presentado durante los días seleccionados con carga hidráulica de 63,36 m3 m-2 dia-1 corresponde a un decrecimiento con valores de turbiedad del 24%, 30 % y 70 % en días cuando las condiciones meteorológicas favorecieron el almacenamiento de agua pluvial por presencia de precipitaciones. No obstante, en días cuando la precipitación fue escasa, el lecho filtrante se saturó y generó arrastre de material y de esta manera aumentó la turbiedad, debido a que hubo bajos volúmenes de agua para operar el sistema, hecho que implicó la intermitencia en el paso del fluido. La Fig. 5 a) muestra que la oferta de lluvia es directamente proporcional a la reducción de la turbiedad. Esta influencia se ve reflejada en el cumplimiento o no del umbral definido por la norma para el parámetro (resolución 2115 de 2007; valor máximo permitido para turbiedad 2 UNT).
Fuente: elaboración propia.
Fig. 5 Comportamiento de la turbiedad con una carga hidráulica de a) 63,36 m3/m2-d y b) 6,9 m3/m2-d
La Fig. 5 b) presenta el comportamiento de la turbiedad en el sistema cuando es opera do con carga hidráulica 6,9 m3/m2-d. Se observa una tendencia similar a la de la Fig. 5 a) cuando el sistema funciona en condiciones de bajas precipitaciones. Sin embargo, la mayoría de los días se presentaron reducciones de hasta el 45 %, debido a que el flujo del agua obtuvo mayor tiempo de retención. Este comportamiento se relaciona con que la carga hidráulica fue menor (se encontraba dentro del rango de tasas de filtración para filtros lentos). Por tanto, operar sistemas de este tipo con cargas hidráulicas bajas ofrece remoción de turbiedad, mejora la eficiencia de la filtración y cumple con la normatividad para agua potable.
5.1.2. Coliformes
La Tabla 5 relaciona la presencia o ausencia de coliformes con respecto al índice de radiación y el estado del tiempo al momento del muestreo. Los días que presentaron precipitaciones tuvieron menor incidencia de la radiación y mostraron presencia de coliformes. Bajo entornos nubosos también se observa ausencia de desinfección. Sin embargo, condiciones soleadas y parcialmente soleadas son favorables para la eliminación de microorganismos, con índices de radiación UV entre 4 y 13 o longitudes de onda entre los 280 y 400 nm. No obstante, el estudio de DMA Alrousen presenta la evaluación de un sistema de fotocatálisis heterogénea con TiO2 recubierto en los tubos en donde se evidenció desinfección en condiciones de nubosidad (30).
Los días 9 y 11 muestran eliminación de coliformes a las 8:00 a. m. desde la filtración, lo que manifiesta la posibilidad de eliminar microorganismos desde esta unidad.
5.1.3. Radiación y la temperatura
La Fig. 6 presenta los resultados de la eliminación de microorganismos con respecto al índice de radiación y turbiedad para fotocatálisis heterogénea, y temperatura para pasteurización.
Fuente: elaboración propia.
Fig. 6 a) influencia de la radiación y la turbiedad en la desinfección; b) influencia de la radiación y la temperatura en la desinfección: SI: presencia de coliformes, NO: ausencia de coliformes
La Fig. 6 a) muestra los valores del índice de radiación y de turbiedad con respecto a la desinfección. Los datos de radiación por debajo de 3UV indican en todos los casos presencia de coliformes, con turbiedad entre un rango de 1,2 a 3,0 UNT. Sin embargo, el valor de turbiedad más alto registrado en la desinfección fue de 4 UNT, en presencia de un índice de radiación de 4 UV con eliminación de coliformes. En síntesis, para obtener 100% de eliminación de microorganismos, debe existir un índice de radiación mayor a 4 UV y turbiedad menor o igual a 4 UNT. Con lo anterior, se muestra que la mayor influencia en la desinfección por fotocatálisis heterogénea se debe a la radiación, desde que se cuente con valores de turbiedad por debajo de 4 UNT.
El Fig. 6 b) presenta los valores de temperatura alcanzados en el sistema de pasteurización, frente a la radiación y la presencia o ausencia de coliformes. De esta manera, se determina si la eliminación de microorganismos se debe a la fotocatálisis o a la pasteurización. La temperatura máxima alcanzada en los días aleatoriamente monitoreados fue de 24,2 °C, con una radiación de 13 UV o 400 nm y ausencia de coliformes. No obstante, se registró una temperatura mínima de 14,2°C con una radiación de 5 U.V. o 300 nm, y eliminación de coliformes en el agua. Esto muestra que al tener una temperatura baja y un índice de radiación por encima de 4 UV se presentó ausencia de coliformes. Si bien, la mayoría de las bacterias mueren a 65 °C durante 30 minutos o 75 °C durante 15 minutos (3), dichas temperaturas no fueron alcanzadas y, por tanto, la radiación fue la variable con mayor incidencia en la desinfección.
De igual manera, se ha demostrado que para la desinfección este es un proceso optimo, ya que impide la formación de compuestos halogenados que pueden ser peligrosos y tiene la capacidad de eliminar varios tipos de microorganismos, incluyendo bacterias Gram (+) y (-) (31).
5.1.4. Caracterización del agua
La evaluación de los parámetros se hizo con dos cargas hidráulicas diferentes: 63,36 y 6,9m3/m2-d. Los datos de la carga hidráulica 63,36 m3/m2-dia mostraron que el 70 % de los parámetros medidos cumplió con los va lores máximos permisibles, según la resolución 2115 del 2007, mientras que con 6,9m3/ m2-d, se observa que el 100 % de los parámetros cumple (ver Tabla 6).
Tabla 6 Síntesis de caracterización. IS: inicio del sistema, DS: desinfección solar
Fuente: elaboración propia.
La implementación de un sistema de tratamiento constituido por filtración y desinfección solar por fotocatálisis heterogénea y pasteurización, para un afluente producto de la captura de aguas lluvias, pudo contribuir a la carencia del recurso en una locación vulnerable del sur de Bogotá; no obstante, si se presenta el hecho de que en la localidad en la que se desea implementar el piloto no se cuenta con probabilidad alta de precipitación, se puede buscar una fuente de agua con bajos niveles de turbiedad para tratar, como se ha mencionado anteriormente; el sistema de tratamiento de fotocatálisis solo es efectivo si la turbiedad del agua es baja ya que, si fuera al contrario, los rayos ultravioleta no pueden actuar efectivamente con el catalizador dióxido de titanio.
Dadas las condiciones meteorológicas y climatológicas de la zona donde se imple-mentó el proyecto, las variables más importantes fueron la carga hidráulica en función de la radiación, la turbiedad, la presencia de coliformes y la temperatura, variables que determinaron las unidades de captación de agua lluvia, tratamiento de filtración y desinfección solar, empleando materiales adecuados para cada una de las variables: carga hidráulica y turbiedad (Filtro lento de arena), radiación (vidrio Pyrex y base de aluminio), temperatura: (tubo negro y tapa en acrílico), coliformes (sistema de desinfección solar por fotocatálisis heterogénea con catalizador dióxido de titanio y pasteurización).
El proceso de análisis permitió evidenciar que en la filtración, a mayor carga hidráulica, menor eficiencia en cuanto a remoción de turbiedad, factor que influye en el paso de la radiación. Asimismo, en los resultados de la influencia de la radiación y la turbiedad en la desinfección (presencia de coliformes), se observó que con índices de radiación que van desde los 4UV se presenta desinfección en el sistema de fotocatálisis heterogénea.
La evaluación del sistema de desinfección solar indica que no hubo ausencia de coliformes por la pasteurización, puesto que la temperatura ambiente de la zona no fue suficiente para elevar la temperatura del agua en el sistema, lo que indica que la desinfección se logró por la fotocatálisis heterogénea. Lo anterior basado en que este proceso causa daño celular por la generación de radicales OH en la superficie del fotocatalizador y por la absorción directa de la radiación UV por las células, lo que contribuye en gran medida a promover la inactivación celular.
