Ingeniería de aguas residuales/Desinfección de las aguas residuales

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DESINFECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES

1. INTRODUCCIÓN[editar]

El progreso en el control de las enfermedades ha sido posible cuando se comprendió su causa.

Las bacterias fueron descubiertas en 1680. Alrededor de 1880, algunas investigaciones demostraron que las denominadas patógenas eran la causa de determinadas enfermedades, comprobándose que muy pequeñas cantidades de determinados productos químicos eran capaces de eliminarlas. De entre éstos, el cloro y sus compuestos se mostraron tan económicos y eficaces que la historia de la desinfección del agua es, esencialmente, la historia de la cloración.

La cloración del agua puede regularse para obtener varios grados de acción:

  • Bacteriostática: Inhibe el crecimiento, sin causar la muerte del organismo, como resultado de productos de reacción del cloro, las cloraminas
  • Desinfectante: Destruye los microorganismos que causan infección o enfermedad
  • Esterilizante: Cuando, infrecuentemente, el cloro se aplica en tales cantidades que destruye todos los microorganismos

2. IMPORTANCIA DE LA DESINFECCIÓN[editar]

Se define como el proceso de destruir microorganismos patógenos mediante procesos físicos y químicos.

Sus objetivos son: prevenir la extensión de la enfermedad y proteger los abastecimientos de agua potable, playas, zonas recreativas y viveros.

3. TIPOS DE MICROORGANISMOS A ELIMINAR[editar]

Tres principales tipos de microorganismos deben preocuparnos: Bacterias, virus y protozoos.

Las bacterias patógenas ligadas al agua son clasificadas como entero-bacterias


ENTERO-BACTERIAS
Echerichia Coli u otros Coliformes ( algunas diarreas )
Salmonella typhosa ( fiebre tifoidea )
Vibrio Cholerae ( cólera )
Salmonella sp. ( paratíficas, diarreas )
Shigella sp. ( disentería bacilar)


VIRUS
Poliomelitis
Hepatitis infecciosa
Echovirus
Coxsackie virus
Adeno virus


PROTOZOOS Y OTROS
Endamoeba histolytica ( disentería amebiana )
Microbacterium tuberculosis
Schistosoma sp.
Leptospira icterohemosh
Leishmania so.
Huevos de gusanos

4.CONSIDERACIONES ACERCA DEL INDICADOR BACTERIANO[editar]

El principal parámetro para probar la eficacia de la desinfección es la resistencia del organismo indicador.

Para que un grupo de microorganismos sea indicador ideal, debe ocurrir que:

  • Debe estar presente en la muestra siempre que lo estén los patógenos, en mayor número y ser más resistentes que aquellos al agente desinfectante.
  • Debe estar aleatoriamente distribuido y poderse enumerar mediante un procedimiento simple, rápido y no ambiguo.
  • Su crecimiento no debe estar inhibido por la presencia de otros organismos, y su número en el medio acuático no deberá aumentar después de la desinfección.
  • No deberá ser patógeno para el hombre.

En opinión de muchos investigadores, el grupo de los coliformes, que es el más utilizado, no da el suficiente margen de seguridad.

La relación entre los coliformes fecales ( CF) y los estreptococos fecales (EF) de una muestra, puede usarse para demostrar si la contaminación sospechada procede de residuos humanos o animales, ya que:

  • para animales domésticos CF/EF < 1
  • para seres humanos CF/EF > 4

5. MÉTODOS DISPONIBLES DE DESINFECCIÓN[editar]

  • Agentes químicos
  • Agentes físicos
  • Medios mecánicos
  • Radiación

5.1 . Agentes químicos[editar]

Entre los agentes químicos que pueden utilizarse, están:

  • El cloro y sus compuestos
  • El bromo y el cloruro de bromo
  • El iodo
  • El ozono

5.2 . AGENTES FÍSICOS[editar]

i) El calor: No es un medio factible, debido a su elevado coste de aplicación a grandes cantidades de A.R.. En cambio se emplea para la pasteurización del fango.

ii) La Luz solar: La luz solar es un buen desinfectante, pudiéndose utilizar, en especial, la radiación ultravioleta.

iii) La radiación UV: Tienen un efecto esterilizante. Se producen con lámparas especiales de vapor de mercurio. Tienen muy poca penetración y, en el caso de las A.R., la acción letal sólo puede ejercerse a través de unos pocos milímetros, debido a los Sólidos en Suspensión (SS) y turbidez. Su uso estaba limitado para aguas de la más alta calidad, tanto potables como efluentes residuales terciarios, aunque desde los años 80 se ha ampliado su campo de acción a los efluentes secundarios de EDARs.

5.3 . Medios mecánicos[editar]

Las bacterias pueden también eliminarse por medios mecánicos, durante el tratamientos del A.R.

5.4 . Radiación[editar]

Dentro de la radiación electromagnética se han utilizado, por su poder de penetración, los rayos gamma para desinfectar ( esterilizar) las A.R.

Tienen gran poder de penetración y pueden ocasionar efectos beneficiosos adicionales en tratamientos terciarios, por alterar las moléculas orgánicas e inorgánicas. La fuente idónea es el Cobalto-60. Debido al alto coste de la energía de radiación, no es competitivo como proceso de desinfección de A.R.

Se han conseguido 5-6 órdenes de inactivación con 5 min. de tiempo de exposición.

  • Ventajas: Confianza, efectos colaterales beneficiosos, sin efectos residuales
  • Inconvenientes: Seguridad, coste excesivo, falta de experiencia

5.5 . Costes comparativos[editar]

El método que predomine será aquel que:

  • Realice el trabajo adecuadamente
  • Tenga los mínimos riesgos para la salud y seguridad
  • Sea fácil de aplicar, medir y controlar
  • Los equipos sean fáciles de operar

De acuerdo con estos aspectos, la cloración parece que será por algún tiempo, el método más popular para la desinfección de las A.R.

6. CINÉTICA DE LA ACCIÓN GERMICIDA[editar]

Los microorganismos patógenos encontrados en el agua tienden a presentarse como organismos individuales. Por tanto, los principios aplicables a la desinfección del agua son los que se refieren a la desvitalización de células individuales.

Los agentes oxidantes inhiben la actividad enzimática o destruyen la pared de las células; el calor y la radiación alteran la Naturaleza coloidal del protoplasma y los rayos UV producen alteraciones en el ADN, evitando su multiplicación

6.1 . Modos de la acción germicida[editar]

La acción germicida es una acción definida entre un número pequeño de partículas del producto utilizado y un centro vital considerado como una unidad molecular. Puede, por tanto, ser tratada como un proceso dinámico, dependiente del tiempo, con una reacción química. Según esto, el grado de eliminación de microorganismos dependerá de:

  • La naturaleza del organismo a desvitalizar
  • La naturaleza del producto letal
  • La concentración o intensidad del producto
  • El tiempo de contacto
  • La temperatura
  • La naturaleza del medio
  • El pH y otros

6.2 . Ley de CHICK[editar]

Fue la primera descripción matemática válida de la velocidad de la acción germicida (1908). Viene dada por la ecuación:

dN/dt = -Kc C N

dN/dt = Velocidad de eliminación: variación del número de organismos viables, N, con el tiempo

Kc = Factor de proporcionalidad que varía con la concentración del desinfectante, la temperatura y otros factores, siendo independiente del número de microorganismos y del tiempo.

C = Dosis del desinfectante

N = Concentración de microorganismos

La ley tiene la forma de una reacción química de primer orden:

siendo:

No = Concentración inicial

Nt = concentración de microorganismos supervivientes al cabo del tiempo t

A menudo conviene expresar la eficacia de la acción germicida en función del tiempo necesario para matar o desvitalizar una determinada fracción del número inicial de microorganismos.

Por ejemplo:

t50 (vida media), tiempo para eliminar el 50%

análogamente:

El porcentaje de la muerte viene dado por el número de nueves igual al número de unidades t90 y la fracción de supervivientes por 10^(-t/t90). Así, si el tiempo de reacción es 6*t90, se tendría:

% eliminados: 99,9999%

% supervivientes: 10-6

Según esta ley no podría haber una destrucción completa de microorganismos en un tiempo finito, independientemente del valor de Kc. Esto no plantea problemas ya que la sensibilidad de los métodos de laboratorio impide discriminar entre cero (0) y una pequeña fracción. La ambigüedad de una completa destrucción mediante la desinfección está explícitamente reconocida en el ensayo de coliformes ( N.M.P.)

6.3 . Validez de la ley de CHICK[editar]

Se han de cumplir dos aspectos de la ecuación, uno ligado con la forma diferencial y otro con la integrada.

  • La primera condición que debe cumplirse experimentalmente es que: la pendiente inicial de la representación gráfica de log N en función del tiempo debería ser independiente de la concentración inicial de microorganismos Este aspecto es generalmente válido
  • La otra comprobación principal se refiere al desarrollo a lo largo del tiempo

La representación de los datos experimentales debería ser una recta. Sin embargo en el caso de productos químicos desinfectantes, especialmente en los fuertemente oxidantes ( ozono y cloro ), existen desviaciones a sensibles de la linealidad teórica.

Sin embargo, aunque el proceso de desinfección, en ciertos casos, no sigue la Ley de Chick, es posible utilizarla con el objeto de establecer parámetros útiles acerca de la eficacia de los germicidas.

6.4 Efectos a considerar[editar]

a) Concentración del desinfectante

(FALTA ECUACIÓN)

siendo

alfa = constante para cada gemicida

c = concentración

n = Coeficiente de dilución

si n > 1, La eficacia depende principalmente de la concentración

si n < 1, la eficacia depende principalmente del tiempo de contacto

generalmente, n = 0.8 - 1.2

b) Efecto de la Temperatura

(FALTA ECUACIÓN

siendo

A = Constante independiente de la temperatura

E = Energía de activación (cal ó Kcal)

T = Temperatura en K

R = Constante de los gases (cal ó Kcal)

c) Efecto del pH

Existen tres razones fundamentales para los efectos observados del pH:

i) Efectos letales de las reacciones ácidas y básicas:
pH < 4 letal para enterobacterias
pH > 10 letal para enterobacterias y virus
ii) Cambios físico-químicos en la forma o composición del desinfectante añadido.
iii) Cambios en el carácter del organismo, que lo hacen más sensible o resistente al agente desinfectante añadido

7. AGENTES MAS UTILIZADOS EN DESINFECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES[editar]

7.1 . Cloración[editar]

a) Cloro gas
· Características físicas del cloro
  • El Cloro se encuentra en la Naturaleza únicamente en combinación, principalmente con NaCl.
  • Es un gas amarillo-verdoso, fácilmente compresible a líquido ámbar
  • A 1 Atm, solidifica a -65.6 ºC y cristaliza como hidrato Cl2·H2O por debajo de 9.6 ºC
  • Es 2½ veces más pesado que el aire, en estado gaseoso y 1½ veces más que el agua, en estado líquido
  • Siempre que no esté comprimido se vaporiza a gas

( 1 Vol. líquido 450 Vol.gas ; 1 Kg 0.31 m3 )

  • En un contenedor está completamente líquido a 67 ºC
  • Es sólo ligeramente soluble en agua, con un máximo a 1 Atm. De 1% a 9.6 ºC. A 100 ºC y 1 atm. es insoluble
· Química del cloro

Para todas las condiciones normales de cloración de un agua, la hidrólisis del cloro es esencialmente completa con generalmente menos de una parte de cloro activo por cada 104 como ClOH.

El cloro como tal, al disolverlo en agua, tiene muy poco tiempo para reaccionar antes de que se hidrolice.

En solución ácida, la ionización es muy pequeña pero a ph = 7.5 y 29 ºC la ClOH ClO- y a pH = 9.5 hay 98 iones ClO- por cada molécula de ClOH

Se llama Cloro Libre Total a la suma

T = [ClOH] + [ClO-]

La eficacia germicida del cloro depende principalmente del ClOH presente. A 20 ºC se puede esperar que la eficacia de una concentración determinada de cloro libre sea la mitad a pH 7.5 que a pH 6

Se necesitan 5.5 veces más de cloro libre total a pH 8.5 que a pH 7.5 ( 10/1.98 ), para dar el mismo grado de actividad germicida, a 20 ºC.

  • Componentes del A.R. que afectan a la cloración:
  • Materias Inorgánicas reductoras ( SH2, SO32-, NO2-, Fe2+, Mn2+ ). Son agentes reductores solubles que consumen oxígeno, pudiendo estar asociados a condiciones sépticas. Estos compuestos consumen el cloro de las soluciones de ácido hipocloroso. Estas reacciones son inmediatas y el Cloro libre disponible sólo permanecerá fracciones de segundo en el agua, reduciéndose el ClOH a ión Cl-, estable y no bactericida. Esta demanda inmediata de cloro, proporcional a la cantidad de sustancias reductoras presentes, oscila entre 5 (A.R.fresca)-100mg/l (A.R.séptica)
  • Reacciones con amoníaco y aminas: Las A.R. contienen cantidades apreciables de N amoniacal, coexistiendo el NH3 disuelto con su ión. La principal fuente de NH3 es la UREA. El ClOH y el NH3, al reaccionar forman las cloraminas. El grado en que se forman depende del pH, Tª, tiempo y cantidad de reactivos. En general, pH bajos y relaciones Cl2/NH3 altas favorecen la formación de dicloroaminas, mucho más eficaz como germicida que la monocloroamina.

Se llama Cloro Combinado disponible al que está en combinación con el NH3 ó compuestos orgánicos del N

  • Reacciones con bacterias y otros organismos:

El objetivo principal de la cloración es la desinfección, siendo todavía aceptado el NMP de coliformes como índice de su eficacia. El grado de destrucción de coliformes requerido, y la dosis de cloro, están influidos por las características del cauce receptor y el uso posterior.

  • Resistencia de los microorganismos a la cloración.

La cloración no destruye completamente los bacilos de la tuberculosis o huevos de gusanos, siendo aconsejable otros medios ( coagulación + filtración).

En cuanto a los virus, su inactivación depende de:

  • La cantidad y tipo de cloro residual ( libre o combinando)
  • Temperatura, pH, y tiempo de contacto.
  • Número y tipo de virus presentes.
  • Presencia de sustancias protectoras.

El número de virus en el efluente, antes de la cloración depende del número inicial y tipo de tratamiento del A.R.

En cuanto a la inactivación, con Cloro libre es más rápida que con Cloro combinado

  • Factores que afectan a la desinfección con cloro:
  • El ácido hipocloroso, al contrario que el ClO- es un desinfectante estraordinariamente potente. Ambas formas están en equilibrio, dependiente del pH, con concentración iguales a pH 7.5 y 25 ºC. Por tanto, al añadir una solución acuosa de cloro al A.R., la forma dominante a pH= 6.5-7.5 sería ClOH. Pero al ser extremadamente activo, reacciona inmediatamente para producir formas combinadas de cloro, no persistiendo en el A.R. salvo que se practique el “break-point”
  • Prácticamente todos los efluentes de A.R. contienen NH3 por lo que el grueso del Cloro añadido se convertirá en monocloroamina o productos de adición, de menor porder germicida
  • En adición, el ClOH se combina con aminoácidos, materias proteínicas y materia orgánica, dando lugar a compuestos de bajo poder desinfectante
  • Reacciona con iones sulfito, sulfuro, nitritos, ferrosos y manganosos, produciendo compuestos sin actividad germicida

Consideraciones prácticas:

La dosis de cloro necesaria variará con la calidad del efluente a tratar. La dosis seleccionada C ( mg/l), en combinación con el tiempo de contacto, t, dará la reducción de coliformes deseada, según

N/No = ( 1 + 0.23*C*t)-3

Se aportan datos orientativos de diseño, para A.R. domésticas con sólo 1-2% de aguas industriales:

  • Efluente primario 18-25 mg/l Cl2
  • Efluente 2º: Lechos bacterianos 15
  • Fangos activados 6-12
  • Efluente 2º + lagunas: 6
  • Efluente 3º ( sin nitrificación): 4-5

Suministro y manejo:

  • Botellas: 50 y 100 Kg de Cl2
  • Contenedores: 500 y 1000 Kg de Cl2
  • Cisternas, para carga de depósitos fijos

La capacidad de vaporización del cloro de los recipientes, llenados al 83-85% con Cloro líquido, oscila entre el 1-1.5% de su capacidad en Kg/h, lo que obligará, según necesidades, a conectar varios en paralelo. Por ej. para consumos del orden de 700 Kg/d, debe haber:

  • 4 contenedores de 1000 Kg en servicio
  • 4 de reserva
  • espacio para nuevo suministro.

Para cantidades mayores, es lógico cambiar a extracción de Cloro líquido, lo que requiere el uso de evaporadores. Los recipientes deben estar a una temperatura menor o igual a la temperatura de la instalación.

Para mantener el suministro continuo de Cloro, es fundamental y deseable:

  • Una adecuada reserva de Cloro
  • Disponer de básculas para los contenedores
  • Un sistema de interconexión apropiado
  • Un intercambiador automático

Control de la cloración

  • Manual: impracticable por la irregular demanda de Cloro del A.R. junto con las variaciones de caudal durante el día
  • Semiautomática: Iniciándose o desactivándose la inyección de la solución acuosa mediante controles eléctricos o hidráulicos
  • Automática: Siendo el caudal de la solución clorada proporcional al caudal de agua a tratar.

Para poder mantener una concentración de Cloro residual constante, con una demanda variable, es imprescindible el control combinado en función del caudal de A.R. a tratar y del Cloro residual en el Agua tratada. Dado que es imperativo que el suministro de Cloro se controlado, en proporción al caudal, la capacidad del clorador está unívocamente ligada a la del medidor de caudal.

El método más eficaz de control de la cloración es el sistema de Lazo compuesto, por el que se envían dos señales independientes y separadas al clorador.

Materiales:

El cloro líquido deba almacenarse siempre en recipientes de acero al carbono y ser conducido por tuberías, sin soldaduras, de este material. El Cloro líquido se inflama espontáneamente y mantiene la combustión con el acero al carbono a 250 ºC. Ataca y disuelve al PVC a temperatura ambiente, por lo que éste no debe utilizarse en el sistema de cloro líquido o donde puedan existir las dos fases, ni tampoco cuando el cloro gas esté a una presión superior a la atmosférica, ya que este material acaba haciéndose poroso.

Al llegar el Cloro al eyector del clorador y entrar en contacto con el agua, forma ClOH y HCl, dando una solución de bajo pH, altamente corrosiva, por lo que, a partir de aquél, las tuberías y difusores deben ser de PVC o acero ebonitado.

El objetivo principal de la cámara de contacto es el suministrar el tiempo de detención necesario para que los compuestos de cloro reduzcan las bacterias a niveles aceptables. El tiempo de contacto no debe rebajar de los 15 min., bajo ninguna circunstancia.

La relación Longitud / anchura debe ser mayor de 10 y siendo mayor de 40 se obtendrá una distribución de tiempos de contacto cercanos a los de flujo pistón.

' Dados los peligros que entraña al Cloro para la salud humana, es imprescindible detectar fugas y neutralizarlas. '

La O.M. 1/3/84 (BOE 9/3/84) es de obligado cumplimiento en todo lo referente al almacenamiento de Cloro.

7.2 . Hipoclorito sódico[editar]

Al disolver un hipoclorito en agua se ioniza:

Los iones suministrados reaccionan con los hidrogeniones del agua dando una solución acuosa cuya concentración respecto al ClOH es exactamente la misma, para pH y temperatura dados, si se utiliza Cloro gas ó hipoclorito

La única diferencia es que la hidrólisis del Cloro gas da H+, bajando el pH, mientras que los hipocloritos consumen H+ y suben el pH. Con pocos mg/l, el efecto en el pH es tan pequeño que ambos exhiben la misma actividad germicida. A mayores dosis ( >10 mg/l ), la producción y absorción de H+ será lo suficientemente grande como para encontrar una diferencia medible en el pH de las soluciones finales, y la actividad germicida será la misma únicamente si se añade ácido o base para igualar los pH de la solución.

El peligro potencial del almacenamiento, uso y transporte de grandes cantidades de Cloro líquido,, ha resultado en la consideración del hipoclorito como forma alternativa del Cloro.

El cloro gas es claramente la alternativa para grandes instalaciones, Los hipocloritos son más caros, pierden su contenido en cloro disponible durante su almacenamiento y pueden ser difíciles de manejar.

El hipoclorito sódico es, de todos los posibles, el aconsejado. El equipo para solución acuosa de hipoclorito cálcico sería apropiado para dosificar una solución de hipoclorito sódico y, con éste, no hay problemas de formación de fangos

Propiedades:

  • El hipoclorito sódico es sensible a la luz, debiendo almacenarse en zonas secas, frescas y oscuras
  • Se recomienda el uso de hipoclorito con el 10-15% de Cloro disponible
  • Es fuertemente alcalino y debe tenerse cuidado al manejarlo.
  • La solución acuosa es extremadamente corrosiva
  • Dosificación y control

El control puede hacerse proporcional al caudal, enviando la señal del medidor de caudal, bien a una válvula reguladora, si se utiliza en eductor o bomba centrífuga, o bien al posicionador de la bomba membrana. También se puede combinar la señal del medidor de caudal con la del analizador, mediante un sumador. El control de lazo compuesto, utilizando las dos señales independientemente, sólo es posible con bombas de membrana que pueden recibir señales para el rectificador del motor y para el posicionador.

8. OZONIZACIÓN[editar]

· Propiedades:

  • Es un gas azul pálido de olor característico
  • Es tóxico y corrosivo
  • Es uno de los agentes oxidantes más fuertes que existen
  • La solubilidad en agua es sólo de 570 mg/l ( 12 veces menos que el Cl)

· Química:

El Ozono se forma por disociación del Oxígeno en oxígeno atómico. Dado que la disociación del Oxígeno implica la rotura del enlace fuerte O-O, se requiere una gran cantidad de energía.

La tercera reacción limita la concentración de Ozono que puede producirse económicamente, mediante el sistema convencional, al 1% en peso cuando se utiliza aire y, al 2% cuando se utiliza Oxígeno.

· Consideraciones de diseño:

  • La eficacia del O3 como desinfectante es relativamente independiente del pH y temperatura, aunque parece que el rango más favorable está entre 6-7.
  • La vida media del O3 es sólo 20 min. por lo que es necesario suministrarlo escalonadamente para conseguir el tiempo de contacto necesario para la desinfección
  • Para A.R. es necesario como mínimo una dosis de 5-8 mg/l (NMP= 100/100ml). La dosis puede determinarse empíricamente:

O3 (mg/l) = 1.5 + 0.38*TSS

Donde TSS son los SS del efluente secundario y el tiempo de contacto es de 10 min.

· Sistemas de desinfección:

(FALTA FIGURA ESQUEMA)

  • Sistema de alimentación con O2: Es el más simple y económico, y el de mayores aplicaciones comerciales. El esquema del proceso es G-D-E-F, pudiendo el O2 resultante del destructor de ozono ser utilizado para alimentar una planta de Fangos Activados.

El consumo energético es del orden de 7.5-8 Kwh/Kg O3

  • Sistema con recirculación de O2: G-D-E-F-A-B-C. El gas, rico en Oxígeno, es recirculado al compresor A y refrigerador B,para su desecación y limpieza, antes de volver al generador de ozono. A intervalos, el gas es recirculado es purgado ( CO2 y N2 ) y se añade O2 para mantener la concentración en el mismo.
  • Sistema de alimentación con aire: A-B-C-D-E-F. Este sistema descarga a la atmósfera. Su elección es puramente económica (Coste de E, eficiencia del generador de ozono, costes de suministro de aire y oxígeno y, tamaño de la instalación). El consumo energético es del orden de 15-16 Kwh/Kg O3

Este sistema puede ser el indicado para capacidades de ozonización de hasta 450 Kg O3/d. Junto con el anterior, es el mejor para el sistema de fangos Activados.

La Mezcla supone el transferir un máximo de ozono de la fase gas a la líquida. Es fundamental el producir burbujas finas, la máxima turbulencia y elevada diferencia de concentración de ozono ( gradiente) entre ambas fases. Los mejores rendimientos obtenidos se acercan al 90%. En la se muestra el esquema de una cámara de contacto con difusores de burbuja fina.

9. RAYOS ULTRAVIOLETAS[editar]

9.1 . Propiedades[editar]

El rango de radiaciones UV, y de las correspondientes ondas electromagnéticas, puede subdividirse, de acuerdo con sus efectos biológicos, ) siendo la comprendida en el rango de corta longitud ( UV-C ), entre 200-280 nm, la que tiene efecto germicida.

La razón de este efecto es que los r-UV originan cambios químicos en el ADN de los microorganismos La radiación o dosis, D, se calcula multiplicando la Intensidad de la Radiación por el Tiempo de Exposición

D = I * 10t (microWs/cm2)

Existe una relación exponencial entre la dosis y el número de microorganismos no inactivados N, del tipo

N = No * e- kD ( Ley de Chick )

Donde No es el número inicial de microorganismos.

Esto implica que

  • La inactivación del número de microorganismos depende, únicamente de la dosis, pudiéndose compensar un menor tiempo de exposición con una mayor irradiación
  • La dosis necesaria para conseguir inactivaciones del 99; 99.9 y 99.99% son, respectivamente: 2; 3 y 4 veces la dosis (D10) para un 90% de inactivación ó un 10% de supervivencia

9.2 . Producción[editar]

Los rayos UV se generan mediante una descarga eléctrica en vapor metálico, siendo la lámpara de vapor de mercurio la más indicada ara la generación de la radiación germicida (UV-C), dado que la línea de resonancia del átomo de Hg a 254 nm es emitida con alta eficiencia.

Las lámparas pueden ser de Baja Presión, que emiten del orden del 92% de su radiación a 254nm, ó de Media Presión, que dan lugar a un espectro difuso típico

Aunque las de media P permiten mayor intensidad, y por tanto, mayor dosis para un caudal dado, simplificando la configuración del sistema, ésto se compensa por sus mayores costes y menor vida

9.3 . Utilización en desinfección de aguas residuales[editar]

Si bien el desarrollo de la lámpara de Hg data de 1901, los r-UV no se usaron en principio para desinfección debido a los altos costes de operación y problemas de mantenimiento que se presentaron. El desarrollo de fuentes más baratas y eficaces ha hecho que vaya aumentando su aplicación.

Dosis necesaria=[editar]

Ensayos de laboratorio, bajo condiciones ideales, han determinado que, para el E.Coli, las dosis para un 90% (D10) y 99.9% de inactivación son 3mWs/cm2 y 9mWs/cm2, respectivamente.

En condiciones reales, hay factores que influyen en la dosis:

  • Un fluido que no transmite la radiación de longitud de onda 253.7nm con la misma eficacia que el agua pura hará que disminuya la intensidad recibida por los microorganismos
  • La intensidad de la radiación UV disminuye con el envejecimiento de la lámpara
  • El ensuciamiento del tubo de cuarzo también disminuirá la intensidad de la radiación
  • Si el caudal a desinfectar es mayor que el de diseño para el equipo, la dosis disminuirá, debido al menor tiempo de contacto

Recíprocamente, la dosis aumentará si el caudal a desinfectar es menor que el de diseño

Puede demostrarse que D = 216 * 1/Q (m3/h)

Según esto, un A.R. poco tratada no es deseable, siendo aconsejable una transmisividad mínima de la radiación UV del 50% a través de un espesor de 1cm., lo que corresponde a un efluente con tratamiento secundario, para lo cual debe preverse un sistema de limpieza de las lámparas ( por ej. con una solución al 10% de Ac. Cítrico ), y es importante incluir un sistema de control del rendimiento de la desinfección en función de la transmisividad, el caudal de agua a desinfectar y el nivel de contaminación del tubo de cuarzo de protección de la lámpara, lo que se consigue mediante un equipo de detección de la intensidad de la radiación UV y un control automático de nivel en el canal de desinfección.

La dosis estimada para obtener una reducción de tres unidades logarítmicas (99.9% ) en el número de coliformes fecales de un efluente es de 30 mWs/cm2.

Reactor[editar]

Cualquier reactor ó cámara de rayos UV debe estar diseñado para que funcione satisfactoriamente con la turbiedad del efluente a desinfectar y para evitar o minimizar, en lo posible, dos fenómenos que, en caso contrario, limitarían el rendimiento del sistema de desinfección: El cortocircuito y la fotorreactivación.

Turbidez:

La radiación UV penetra, a través del fluido, las paredes de las células de los microorganismos, siendo la energía efectiva únicamente la absorbida por ellos. Si hubiese sólo una partícula en el agua, podría evitarse que actuase de escudo protector sobre los microorganismos, diseñando la cámara de forma que aquella recibiese radiación desde todos los ángulos esféricos. Sin embargo, al haber normalmente muchas partículas, siempre hay un efecto protector de las mismas que puede minimizarse si el agua circula en la cámara en régimen turbulento.

Por tanto, en el diseño hay que considerar:

  • El flujo debe ser turbulento
  • El agua debe recibir los rayos Uv desde todas direcciones

Corto-circuito

Se denomina cortocircuito al paso de parte del agua por la cámara, sin haber recibido tratamiento, debido a las condiciones del flujo. Incluso un muy pequeño grado de corto-circuito puede ser extremadamente dañino, habiéndose confirmado mediante trazadores que basta que una parte por mil bypase la cámara, para que no pueda obtenerse un grado de desinfección mayor del 99.9% de reducción, tres unidades logarítmicas en lugar de seis u ocho que podrían obtenerse, dependiendo del A.R.tratada.

Foto-reactivación

La luz visible puede reparar el daño hecho las bacterias “tocadas”, que no tienen capacidad de reproducirse, pero no han sido matadas. Por tanto, la exposición a la luz inmediatamente después que a la radiación UV, dará lugar a la curación de aquéllas.

Para evitarlo, lo mejor es matar a los microorganismos para lo que se necesita una dosis real de, al menos, 30000 ìWs/cm2.

Las lámparas deben colocarse en la cámara de forma tal que no absorban energía de los adyacentes, ya que de lo contrario, podrían absorber hasta el 80% de la energía emitida, originándose la foto-reactivación.

Tipos de Reactores[editar]

Básicamente pueden considerarse dos tipos de reactores, según que las lámparas de rayos UV no estén en contacto con el fluido a desinfectar, por el contrario, estén introducidas en su seno.

En el primer caso, el fluido circula por el interior de un tubo de teflón o de cuarzo, estando las lámparas montadas alrededor del mismo, exteriormente Colocando, además, unos reflectores de forma adecuada, se consigue un campo de radiación muy intenso, más en el centro, de forma que el perfil de intensidad se adapte lo más posible al perfil del flujo del agua ( flujo a desinfectar)

La principal ventaja es que las lámparas no se ensucian y no existen partes móviles, siendo únicamente necesario limpiar el tubo a intervalos que pueden llegar a 2 meses, para efluentes secundarios.

Sin embargo, para A.R. es más empleado el segundo tipo de reactor, que puede ser en conducción cerrada o en canal, si bien es este último el más utilizado, ya que permite un desarrollo modular para adaptarse a caudales y estructuras diferentes, pudiendo ser equipados con el número ideal de lámparas.

Dependiendo del tamaño del equipo completo, se montan varias lámparas en fila, formando un módulo. Los módulos se montan verticalmente en el canal, mediante consolas de apoyo, son variables en la dirección del flujo y pueden ser encendidas y apoyadas individualmente.

Con objeto de lograr una distribución de la dosis en el reactor lo más ideal posible, algunos fabricantes instalan lámparas planas, montadas de tal forma que el máximo de irradiación está en la dirección del flujo