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Desinfección UV
Estrategia multibarrera con
luz ultravioleta
Introducción a la desinfección
UV del agua potable
Bacterias (p.ej. E.coli, salmonella)
Muchos países europeos obtienen su agua potable de las aguas super­
ficiales o bien de aguas subterráneas con influencia directa del agua
superficial. Esto conlleva un mayor riesgo de contaminación por protozoos
(criptosporidium, giardia), bacterias (E. coli, salmonella) y virus (hepatitis A,
hepatitis B, poliovirus, rotavirus) presentes en el agua.
La contaminación microbiológica
Virus (p.ej. poliovirus, hepatitis A)
La contaminación microbiológica de las fuentes de agua es un indicador
muy importante del nivel sanitario de un país. La mala calidad de los
sistemas de alcantarillado, el bajo nivel de higiene y el aumento de las
explotaciones industriales y agrícolas pueden causar brotes de organis­
mos patógenos en el agua. En muchos países se han detectado casos de
muertes en la primera infancia vinculados con la contaminación del agua.
Todo ello hace que la desinfección sea un aspecto fundamental en el
proceso de tratamiento del agua.
Protozoos (p.ej. criptosporidium, giardia)
Contaminación
microbiológica
Tabla 1: Organismos patógenos presentes en el agua
Microorganismo
Enfermedad
BACTERIAS
Micro-organismos
infecciosos en el agua
La Tabla 1 muestra diversos microorganismos
infecciosos presentes en el agua y las enferme­
dades que pueden causar. Aunque estos mi­
croorganismos se encuentran sobre todo en las
aguas superficiales, la posibilidad de infiltración
hace que los organismos patógenos puedan
causar problemas también en pozos de agua
subterránea. Se han detectado brotes en muchos
de los países de Europa Occidental. En 2007 se
produjo en Irlanda un brote de criptosporidium y
el gobierno se vio obligado a decretar una Lista
de Medidas Correctivas que, entre otras cosas,
exigía la aplicación de una estrategia multiba­
rrera en los suministros de agua.
Salmonella typhi
Fiebre tifoidea
Salmonella paratyphi A, B, C
Fiebre paratifoidea
Especies de shigella
Síndrome de Ruhr
Escherichia coli
Enteritisen, enterotoxemia
Especies de brucella
Enfermedad de Bang o fiebre de Malta
Vibrio cholerae
Cólera
Especies de leptospira
Enfermedad de Weil
Listeria monocytogenas
Listeriosis
Bacillus anthracia
Ántrax
Clostridium botulinum
Botulismo
Especies de mycobacterium
Úlceras de piel, tuberculosis
Chiamydia trachomatis
Conjuntivitis
VIRUS
Poliovirus
Meningitis, poliomielitis
Virus de Coxsackie A, B
Meningitis, eccema
Virus ECHO
Meningitis, diarrea
Hepatitis A
Hepatitis epidémica
PROTOZOOS
Los sistemas UV deben
someterse a validación por
bioensayo
Entameba histolítica
Enfermedades amebianas
Giardia lamblia
Giardiasis
Criptosporidium parvum
Criptosporidiosis
Los sistemas UV deben superar ensayos bio­
lógicos (o pruebas de campo) de homologación
antes de su instalación. Dado que no es posible
realizar pruebas para todos los microorganis­
mos, lo normal es que la homologación incluya
ensayos hechos con organismos representati­
vos. Las directrices europeas sobre agua potable
definen las concentraciones mínimas para
contaminación microbiana que se muestran en
la Tabla 2. La aplicación de estas directrices,
unida a la mejora de los sistemas higiénicos y
de alcantarillado, ha significado una reducción
del riesgo de brotes epidémicos y una mejora de
la salud pública. Durante muchos años se con­
sideró que el agua potable era de buena calidad
si los recuentos microbianos estaban por debajo
de los niveles indicados en la Tabla 2.
Ascaris lumbricoides
Ascariasis
Especies de tenia
Solitaria
LOMBRICES
Tabla 2: Parámetros microbiológicos establecidos en la Directiva
del Consejo de la UE 89/83/EG
Parámetros microbiológicos
Escherichia coli
0 / 100 ml
Enterococci
0 / 100 ml
Parámetros indicadores microbiológicos
Clostridia perfringens (incl. esporas)
0 / 100 ml
Nº de colonias a 22° C
Sin cambios anómalos
Bacterias coliformes
0 / 100 ml
Pese a contar con agua potable que cumple
los requisitos microbiológicos de la UE
mostrados en la Tabla 2, en diversos países
se han producido brotes de criptosporidium
y giardia que han provocado enfermedades
incluso mortales. Esto ha hecho que el
tratamiento de protozoos resistentes al cloro
(como criptosporidium y giardia) sea cada
vez más importante.
2
Directiva del Consejo de la UE 98/83/ECC
La Directiva del Consejo de la UE 98/83/EC
del 3 de noviembre de 1998, en su artículo 5,
exige que los Estados Miembro definan niveles
de calidad para el agua destinada al consumo
humano. La Tabla 2 muestra estos parámetros
microbiológicos.
Estos parámetros microbiológicos son
indicadores de la calidad del agua y se pueden
monitorizar fácilmente de acuerdo con el artí­
culo 7 de la directiva CE sobre agua potable.
Giardia
El giardia es un género de parásitos protozoos
flagelados anaeróbicos del filo metamonada en
el grupo “excavata” (así llamado por el canal
excavado en un lado del soma celular). Coloniza
el intestino delgado de distintos vertebrados,
donde se reproduce y causa giardiasis. Durante
su ciclo vital puede aparecer como tropozoide
con movimiento activo o como un quiste resis­
tente e infeccioso. Debe su nombre al zoólogo
francés Alfred Mathieu Giard.
Criptosporidiosis
La criptosporidiosis es una enfermedad causa­
da por el criptosporidium, un parásito protozoo
del filo apicomplexa. Afecta a los intestinos
de los mamíferos y, por lo general, se trata de
una infección aguda y de corta duración. Se
transmite por la ruta fecal-oral, con frecuencia
a través de agua contaminada. El síntoma más
habitual en personas con el sistema inmune en
buen estado es la diarrea. En sujetos inmu­
nodeprimidos, los síntomas resultan especial­
mente graves y pueden llegar a producir la
muerte. Pese a que no fue identificada hasta
1976, es una de las enfermedades más habitu­
ales entre las que se transmiten por el agua y
tiene incidencia en todo el mundo. El parásito
se transmite en quistes microbianos (ooquistes)
que, una vez ingeridos, se mantienen en el
intestino delgado e infectan el tejido epitelial.
La directiva 98/83/EC ha sido adoptada por
todos los Estados Miembro. La mayor parte
de los países ha ampliado la directiva con
normas más estrictas para aguas super­ficiales
y para aguas subterráneas con influencia
directa del agua superficial. Estas normas
definen los límites para giardia y cripto­
sporidium que se muestran en la Tabla 3.
La directiva 98/83/EC ha sido adoptada por
todos los Estados Miembro. La mayor parte de
los países ha ampliado la directiva con normas
más estrictas para aguas superficiales y para
aguas subterráneas con influencia directa del
agua superficial. Estas normas definen los
límites para giardia y criptosporidium que se
muestran en la Tabla 3
Tabla 3: Concentraciones medias máximas de protozoos propuestas
para el agua potable.
Organismo
Conc. propuesta
0 en m³ de agua potable
Criptosporidium
2,6 x 10-5/l
38
Giardia
5,5 x 10-6/l
180
Existen diversas tecnologías de desinfección y eliminación de
contaminantes. Las más habituales son:
Filtrado (con membranas, por ejemplo)
Desinfección con ozono
Desinfección con rayos ultravioleta
Desinfección con cloro o con productos químicos basados en el cloro
Ciclo de vida de la criptosporidiosis
3
PROTECCIÓN MULTIBARRERA
Combinación en vez
de competición
EFICACIA DE LA LUZ
ULTRAVIOLETA (UV)
EFICACIA
DEL CLORO
RANGO COMBINADO DE EFICACIA
Pese a que genera subproductos, la
desinfección química con cloro ofrece la
importante ventaja de que se puede usar
como desinfectante residual en el sistema
de distribución para mantener la calidad del
agua entre la fuente y el punto de consumo.
Sin embargo, el hecho de que genere
subproductos cancerígenos (como THM) y
apenas tenga efecto sobre criptosporidium y
giardia hace que el uso del cloro no sea una
buena técnica para la desinfección primaria
del agua potable.
Gracias a su poder oxidante, el ozono puede
eliminar del agua diversos compuestos
orgánicos y es un desinfectante eficaz
contra bacterias, virus y quistes de giardia.
Sin embargo, los ooquistes de criptospo­
ridium son inmunes al tratamiento con
ozono. Desde un punto de vista económico,
el período de amortización es considerable
si el ozono se utiliza únicamente como
desinfectante.
El tradicional filtrado rápido y lento con
arena elimina un porcentaje de los micro­
organismos, pero sin que desaparezca el
riesgo para la salud pública. Por otra parte,
el filtrado con membranas es eficaz contra
los microorganismos, pero existe la posi­
bilidad de que pasen virus a través de las
membranas o de que éstas sufran daños,
con los riesgos consiguientes para la salud.
Esto hace que el filtrado no garantice un
nivel de protección suficiente.
El uso de luz UV como desinfectante
principal elimina muchas de las desventajas
de la desinfección química y el filtrado. La
luz UV puede neutralizar bacterias, virus y
protozoos en dosis bajas, mientras que una
dosis elevada es eficaz contra los adeno­
virus. Afortunadamente, los adenovirus se
pueden neutralizar también con cloro, por
lo que una combinación de cloro y luz UV
permite eliminar prácticamente todos los
contaminantes microbianos.
La estrategia multibarrera
La estrategia multibarrera proporciona un nivel adicional de seguridad. La combi­
nación de filtrado tradicional con luz UV y cloro residual está considerada como la
barrera más eficaz para la reducción de patógenos.
Desinfección UV
Al contrario de los métodos químicos de
desinfección del agua, la luz UV utiliza un
proceso físico que neutraliza los microorga­
nismos de una forma rápida y eficaz. Cuando
se exponen a luz UV con las longitudes de
onda apropiadas, las bacterias, los virus y
los protozoos pierden su capacidad para
reproducirse e infectar. La luz ultravioleta ha
probado su eficacia contra organismos pató­
genos, incluyendo los que causan el cólera,
la polio, la fiebre tifoidea, la hepatitis, giardia,
criptosporidium y otras enfermedades de
origen bacteriano, vírico y parasitario. Trojan
también utiliza la luz UV (sola o en combina­
ción con peróxido de hidrógeno) para
destruir contaminantes químicos como pes­
ticidas, disolventes industriales y productos
farmacéuticos.
Homologación de sistemas UV
La validez del diseño de un sistema UV se debe determinar y demostrar mediante
un ensayo biológico (prueba de campo). El objetivo de esta prueba es garantizar que
el sistema UV tiene un diseño adecuado usando datos reales en lugar de recurrir a
supuestos teóricos (por ejemplo, programas obsoletos como UVDIS). Existen diversos
procedimientos y protocolos estándar de homologación:
Manual de diseño de la USEPA (1986): Desinfección de aguas residuales en municipios.
Directrices de la NWRI/AwwaRF para la desinfección ultravioleta y reutilización de agua
potable (2003).
Directrices de la USEPA para la desinfección ultravioleta y el tratamiento a largo plazo
de aguas superficiales (2006).
Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches (DVGW) W294 Standard.
Österreichisches Normungsinstitut (ÖNORM).
4
Espectro de luz UV
Dosis UV
La luz ultravioleta neutraliza los microorganismos
provocando daños en sus ácidos nucleicos. Las
moléculas de ARN y ADN de las células absorben
las elevadas energías de la radiación UV de onda
corta (fundamentalmente a 254 nm). Esto hace
que se creen nuevos enlaces entre nucleótidos
vecinos, que forman así enlaces dobles o dímeros.
La dimerización de moléculas adyacentes,
especialmente de timina, es el ejemplo más
habitual de daño fotoquímico. La formación de
un gran número de dímeros de timina en el ADN
de bacterias y virus impide que se reproduzcan
y elimina su capacidad de infección.Los efectos
germicidas de la luz UV guardan relación directa
con la dosis de energía UV absorbida por un
microorganismo. La dosis UV es el producto de
la intensidad UV y el tiempo de exposición del
microorganismo a la luz UV, y depende del límite
de desinfección o la reducción logarítmica que se
requiera. Normalmente se expresa en mJ/cm² o
μWs/cm². El tiempo de exposición al sistema UV
depende del diseño del reactor y del caudal de
agua. Por su parte, la intensidad varía en función
de los parámetros del equipo (como el tipo y la
disposición de las lámparas) y de la calidad del
de la exposición. La curva resultante es una
representación de la neutralización logarítmica
del organismo en función de la dosis UV utilizada.
Una neutralización de 1 log10 corresponde a
una reducción del 90%; 2 log10 equivale a una
reducción del 99%; 3 log10 indica una reducción
del 99,9% y así sucesivamente.
agua (transmitancia UV, TSS, etc.). A diferencia
de los métodos químicos de desinfección, la
desinfección UV no depende de la temperatura, la
turbidez o el pH del agua.
Los cálculos de dosis son complejos cuando se
tienen en cuenta todos los parámetros del equipo
y de la calidad del agua. Los modelos teóricos
para calcular la dosis mediante dinámica de
fluidos por ordenador (CFD) y/o suma de fuentes
puntuales (PSS) no ofrecen resultados precisos
y no garantizan la eficacia del sistema. Por lo
tanto, la dosis de un sistema UV para distintas
condiciones de caudal y calidad del agua se debe
determinar mediante ensayos biológicos en los
que se tengan en cuenta todas las variables que
puedan afectar a la dosis, como propiedades
hidráulicas, combinación de reactores, transmi­
tancia de tubos de cuarzo, etc.
Tanto la DVGW como la USEPA han determinado
dosis de neutralización similares para diversos
patógenos acuáticos, como se ve en la Tabla
4. Estas dosis se deben homologar mediante
ensayos biológicos independientes para cada
sistema UV en distintas condiciones de operación.
.
La respuesta microbiológica es una medida de
la sensibilidad a la luz UV y varía de un microor­
ganismo a otro. Para determinar la curva de re­
spuesta a dosis UV, se irradian muestras de agua
que contienen el microorganismo con distintas
dosis UV y se mide la concentración de micro­
organismos infecciosos viables antes y después
ADN afectado por luz UV
Dosis UV (J/m²) = Intensidad UV (W/m²) x Tiempo de exposición (s)
Tabla 4: Datos del seminario de la USEPA sobre desinfección UV del agua potable (28-29 de abril de 1999)
Patógeno
Dosis UV media (mJ/cm²) para neutralización
Ooquistes de cript. parv.
Quistes de giardia lamb.
Quistes de giardia muris
Vibrio cholerae
Escherichia coli O157:H7
Salmonella typhi
Salmonella enteritidis
Legionella pneumophila
Virus de la hepatitis A
Poliovirus de tipo 1
Rotavirus SA11
1 log10
3,0
NA
1,2
0,8
1,5
1,8-2,7
5
3,1
4,1-5,5
4-6
7,1-9,1
2 log10
4,9
<5
4,7
1,4
2,8
4,1-4,8
7
5
8,2-14
8,7-14
15-19
5
3 log10
6,4
<10
NA
2,2
4,1
5,5-6,4
9
6,9
12-22
14-23
23-26
4 log10
10
<10
NA
2,9
5,6
7,1-8,2
10
9,4
16-30
21-30
31-36
Homologación
de un sistema de
desinfección UV
El resultado de un ensayo biológico de
homologación es una dosis equivalente de
reducción (RED). Un valor de RED de 40 mJ/
cm² indica que el sistema UV suministra
una dosis de 40 mJ/cm² según la medida
del organismo de homologación. El procedi­
miento de homologación no tiene en cuenta
el diseño del sistema UV, el número de lám­
paras instaladas o la potencia que consume
el sistema. La reducción logarítmica medida
determina la eficiencia del sistema en las
condiciones de operación definidas.
altas, lo que hace que la homologación
mediante ensayos biológicos sea funda­
mental en aplicaciones de desinfección
de agua.
Las dosis calculadas con el método
de suma de fuentes puntuales o con
modelos CFD tienden a ser mucho más
Este proceso, que recibe el nombre de
homologación mediante ensayo biológico,
es realizado por un organismo reconocido
e independiente en un centro especial de
pruebas.
Pasos generales de
homologación
Paso 1: Determinación de la
curva de respuesta de los microbios a la dosis UV
Se puede utilizar un haz colimado para
determinar el nivel de neutralización micro­
biana con diferentes dosis UV, obteniendo
así la curva de respuesta a dosis para el
organismo en cuestión.
Paso 2: Evaluación y
homologación del reactor
El reactor UV se utiliza en distintas condi­
ciones de caudal (distintas transmitancias
UV, distintas potencias de lámparas, etc.)
con el mismo organismo con el fin de
determinar el nivel de neutralización micro­
biana. Este nivel se compara con la curva
de respuesta a dosis (obtenida con un haz
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colimado) para determinar la dosis sumi­
nistrada por el reactor (la dosis equivalente
de reducción, RED) y homologarla para
diferentes condiciones de uso.
Parámetros de Validación
La homologación debe confirmar que
se cumplen los requisitos de
neutralización logarítmica. Este
proceso permite mejorar el diseño de
los sistemas teniendo en cuenta los
siguientes parámetros:
Transmitancia UV (UVT)
Caudal
Intensidad UV
Disposición de lámparas
Propiedades hidrodinámicas del
reactor
•Vida útil de las lámparas
Tabla 5: Dosis UV requeridas (mJ/cm²)
Patógenos objetivo
Neutralización logarítmica
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Criptosporidium
1,6
2,5
3,9
5,8
8,5
12
15
22
Giardia
1,5
2,1
3,0
5,2
7,7
11
15
22
Virus
39
58
79
100
121
143
163
186
Fuente: Tabla 1.4 de USEPA/UVDGM
6
Pa
s
o1
o2
s
Pa
Microbio
Reactor UV
Haz colimado
Validación de
un sistema de
desinfección UV
Nivel medido de
neutralización
microbiana
Determinación de la
respuesta del microbio
a la dosis UV
Dosis
Determinación de la dosis suministrada por el reactor
Comparación de los protocolos de la USEPA y la DVGW.
La norma DVGW W294 para productores
alemanes de agua potable tiene como
objetivo la normalización del sector de la
desinfección UV en Alemania y es el proto­
colo de homologación reconocido interna­
cionalmente para reactores UV. Esta norma
permite la comparación imparcial de distin­
tos tipos de reactores UV y proveedores. El
protocolo de la DVGW está diseñado para el
centro de pruebas de la DVGW, que tiene un
límite de 3.000 m³/h.
Las pruebas del protocolo de la DVGW
determinan el diseño de un reactor con una
RED fija de 40 mJ/cm², empleando esporas
de bacillus subtilis como microorganismo de
prueba. En ellas se utilizan distintas poten­
cias y transmitancias UV, con lámparas al
70% de su vida útil.
La demanda de reactores UV de mayor
tamaño, la gran variación en la calidad del
agua, los diferentes tipos de instalaciones y
la existencia de muchos procesos de trata­
miento distintos hicieron necesaria la defin­
ición de un protocolo más flexible.
La Agencia de Protección del Medio
Ambiente de los Estados Unidos (USEPA)
desarrolló unas directrices para desinfec­
ción UV (UVDGM) en las que se describen
protocolos de homologación y factores de
diseño de reactores UV. La detección de
brotes infecciosos hizo que estas directri­
Sensor de intensidad UV validado
ces se centraran en la eliminación eficaz
de organismos resistentes al cloro, como
giardia y criptosporidium. Los protocolos de
la USEPA son más flexibles y complejos. La
dosis de prueba pueda variar entre 10 y 120
mJ/cm² en distintas condiciones de caudal,
potencia y transmitancia UV con una vida útil
simulada para las lámparas. El resultado de
las pruebas es una curva de homologación
que se puede utilizar para objetivos micro­
biológicos concretos que requieren una RED
superior a 40 mJ/cm².
U VDGM permite usar dosis calculadas y definidas que se interpolan en función del
caudal, la transmitancia UV y la intensidad UV.
D
VGW sólo funciona con la dosis RED biodosimétrica de 40 mJ/cm².
U VDGM emplea generalmente el bacteriófago MS2, mientras que DVGW usa
esporas de bacillus subtilis.
U VDGM permite el uso de sensores de acuerdo con DVGW o ÖNORM.
A mbas normas permiten el uso de centros de pruebas independientes.
A mbas normas permiten análisis independientes de datos microbiológicos.
U VDGM permite la confirmación independiente del factor de uso de lámparas.
U VDGM requiere que se tenga en cuenta el diseño del perfil hidráulico
(condiciones de entrada).
U VDGM permite hacer medidas de transmitancia UV en línea para ajustar la dosis.
U VDGM permite el uso de controladores PLC.
7
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Diferencias entre UVDGM/DVGW/ÖNORM
Table 6: Comparación de los protocolos de la USEPA y la DVGW
Elemento
DVGW/ÖNORM
USEPA UVDGM
Punto de prueba
Método UV-I
Tiempo de uso de
lámparas
máx. 70% (es decir, 30% de uso)
- Método UV-I; o bien:
- Método UV-I/UVT; o bien:
- Cálculo de dosis UV a partir de la intensidad y
la transmitancia
- Sin especificar (hay que confirmar las características
de las lámparas)
Condiciones de entrada
Anterior con doble codo DN600
(“peor caso posible”)
Dosis UV
Puntos de operación
Interpolación –
extrapolación
Aplicación
RED = 40 mJ/cm²
Fijos
No permitidas
Tipo de desinfección
Homologación de
reactores
Microorganismo de prueba
Comparación de rendimiento
entre distintos reactores
Desinfección general para todo
tipo de aplicaciones
Prueba experimental para determinar el caudal y la transmitancia UV
para un reactor UV con una RED
de 40 mJ/cm²
Bacillus subtilis
- Sin especificar
- El reactor UV instalado debe tener propiedades
hidráulicas iguales o mejores que las del reactor UV
homologado (normalmente con un codo de 90 grados
para simular el peor caso posible)
RED según el nivel de reducción logarítmica
Variables
Interpolación permitida
Herramientas de operación para distintos reactores
Eliminación de giardia y criptosporidium
Prueba experimental para determinar las condiciones de
operación en las que un reactor UV suministra la dosis
necesaria para neutralizar criptosporidium, giardia y virus
Generalmente bacteriófago masculino 2 (MS2)
Algunas directrices de aplicación:
Utilizar DVGW para sistemas con caudales <1570m³/h
EPA se utiliza para la neutralización de giardia y criptosporidium.
DVGW se utiliza para la desinfección general.
EPA se utiliza para la protección multibarrera en aguas superficiales.
DVGW se utiliza para la protección multibarrera en aguas subterráneas.
Debido a los microorganismos objetivo y a la dosis específica, los
sistemas validados USEPA permiten caudales mayores
Referencias:
Trojan Technologies (2008), London (Canadá).
Aplicaciones y soluciones con luz ultravioleta.
Michael F. Joyce (2010), responsable de servicios de
agua para la consultora técnica Ryan Hanley (Irlanda).
Conferencia en el University College de Dublín.
DVGW (2006). Sistemas UV para la desinfección del
suministro de agua. Norma alemana W294.
ÖNORM (2003). Plantas de desinfección de agua con
radiación ultravioleta. Norma austríaca 5873.
USEPA (2006). Directrices para desinfección ultravioleta y tratamiento a largo plazo de aguas superficiales (LT2ESWTR). EPA815-R-06-007.
Trojan Technologies España S.L., T. 0034.91.5645757, www.trojanuv.com/es
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