Estrategia multibarrera con luz ultravioleta

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1 Foto: aramanda-fotolia.com 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 superficiales 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 organismos 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)

2 Contaminación microbiológica Micro-organismos infecciosos en el agua La Tabla 1 muestra diversos microorganismos infecciosos presentes en el agua y las enfermedades que pueden causar. Aunque estos microorganismos 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 multibarrera en los suministros de agua. Los sistemas UV deben someterse a validación por bioensayo Los sistemas UV deben superar ensayos biológicos (o pruebas de campo) de homologación antes de su instalación. Dado que no es posible realizar pruebas para todos los microorganismos, lo normal es que la homologación incluya ensayos hechos con organismos representativos. 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 consideró que el agua potable era de buena calidad si los recuentos microbianos estaban por debajo de los niveles indicados en la Tabla 2. Tabla 1: Organismos patógenos presentes en el agua Microorganismo BACTERIAS Salmonella typhi Salmonella paratyphi A, B, C Especies de shigella Escherichia coli Especies de brucella Vibrio cholerae Especies de leptospira Listeria monocytogenas Bacillus anthracia Clostridium botulinum Especies de mycobacterium Chiamydia trachomatis VIRUS Poliovirus Virus de Coxsackie A, B Virus ECHO Hepatitis A PROTOZOOS Entameba histolítica Giardia lamblia Criptosporidium parvum LOMBRICES Ascaris lumbricoides Especies de tenia Enfermedad Fiebre tifoidea Fiebre paratifoidea Síndrome de Ruhr Enteritisen, enterotoxemia Enfermedad de Bang o fiebre de Malta Cólera Enfermedad de Weil Listeriosis Ántrax Botulismo Úlceras de piel, tuberculosis Conjuntivitis Meningitis, poliomielitis Meningitis, eccema Meningitis, diarrea Hepatitis epidémica Enfermedades amebianas Giardiasis Criptosporidiosis Ascariasis Solitaria 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

3 Directiva del Consejo de la UE 98/83/ECC 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 resistente e infeccioso. Debe su nombre al zoólogo francés Alfred Mathieu Giard. Criptosporidiosis La criptosporidiosis es una enfermedad causada 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 inmunodeprimidos, los síntomas resultan especialmente graves y pueden llegar a producir la muerte. Pese a que no fue identificada hasta 1976, es una de las enfermedades más habituales 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 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 artículo 7 de la directiva CE sobre agua potable. 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 super ficiales 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. 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

4 PROTECCIÓN MULTIBARRERA Combinación en vez de competición EFICACIA DEL CLORO EFICACIA DE LA LUZ ULTRAVIOLETA (UV) 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 criptosporidium 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 microorganismos, 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 posibilidad 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 adenovirus. 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 combinación 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 microorganismos 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 patógenos, 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 combinación con peróxido de hidrógeno) para destruir contaminantes químicos como pesticidas, disolventes industriales y productos farmacéuticos. RANGO COMBINADO DE EFICACIA 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

5 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 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, transmitancia de tubos de cuarzo, etc. La respuesta microbiológica es una medida de la sensibilidad a la luz UV y varía de un microorganismo a otro. Para determinar la curva de respuesta a dosis UV, se irradian muestras de agua que contienen el microorganismo con distintas dosis UV y se mide la concentración de microorganismos infecciosos viables antes y después 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. 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.. 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 1 log10 2 log10 3 log10 4 log10 Ooquistes de cript. parv. 3,0 4,9 6,4 10 Quistes de giardia lamb. NA <5 <10 <10 Quistes de giardia muris 1,2 4,7 NA NA Vibrio cholerae 0,8 1,4 2,2 2,9 Escherichia coli O157:H7 1,5 2,8 4,1 5,6 Salmonella typhi 1,8-2,7 4,1-4,8 5,5-6,4 7,1-8,2 Salmonella enteritidis Legionella pneumophila 3,1 5 6,9 9,4 Virus de la hepatitis A 4,1-5,5 8, Poliovirus de tipo , Rotavirus SA11 7,1-9,

6 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 procedimiento de homologación no tiene en cuenta el diseño del sistema UV, el número de lámparas instaladas o la potencia que consume el sistema. La reducción logarítmica medida determina la eficiencia del sistema en las condiciones de operación definidas. Las dosis calculadas con el método de suma de fuentes puntuales o con modelos CFD tienden a ser mucho más Foto: Cristian Ciobanu - Fotolia.com altas, lo que hace que la homologación mediante ensayos biológicos sea fundamental en aplicaciones de desinfección de agua. 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 microbiana 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 condiciones de caudal (distintas transmitancias UV, distintas potencias de lámparas, etc.) con el mismo organismo con el fin de determinar el nivel de neutralización microbiana. Este nivel se compara con la curva de respuesta a dosis (obtenida con un haz colimado) para determinar la dosis suministrada por el reactor (la dosis equivalente de reducción, RED) y homologarla para diferentes condiciones de uso. 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. 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, Giardia 1,5 2,1 3,0 5,2 7, Virus Fuente: Tabla 1.4 de USEPA/UVDGM 6

7 Paso 1 Paso 2 Microbio Reactor UV Validación de un sistema de desinfección UV Haz colimado 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 protocolo de homologación reconocido internacionalmente para reactores UV. Esta norma permite la comparación imparcial de distintos 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 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 potencias 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 tratamiento distintos hicieron necesaria la definición de un protocolo más flexible. Sensor de intensidad UV validado La Agencia de Protección del Medio Ambiente de los Estados Unidos (USEPA) desarrolló unas directrices para desinfección 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 directrices 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 microbiológicos concretos que requieren una RED superior a 40 mj/cm². Diferencias entre UVDGM/DVGW/ÖNORM UVDGM permite usar dosis calculadas y definidas que se interpolan en función del caudal, la transmitancia UV y la intensidad UV. DVGW sólo funciona con la dosis RED biodosimétrica de 40 mj/cm². UVDGM emplea generalmente el bacteriófago MS2, mientras que DVGW usa esporas de bacillus subtilis. UVDGM permite el uso de sensores de acuerdo con DVGW o ÖNORM. Ambas normas permiten el uso de centros de pruebas independientes. Ambas normas permiten análisis independientes de datos microbiológicos. UVDGM permite la confirmación independiente del factor de uso de lámparas. UVDGM requiere que se tenga en cuenta el diseño del perfil hidráulico (condiciones de entrada). UVDGM permite hacer medidas de transmitancia UV en línea para ajustar la dosis. UVDGM permite el uso de controladores PLC. Foto: CLUPIX images - Fotolia.com 7

8 Table 6: Comparación de los protocolos de la USEPA y la DVGW Elemento DVGW/ÖNORM USEPA UVDGM Punto de prueba Método UV-I - Método UV-I; o bien: - Método UV-I/UVT; o bien: - cálculo de dosis UV a partir de la intensidad y la transmitancia Tiempo de uso de lámparas Condiciones de entrada máx. 70% (es decir, 30% de uso) Anterior con doble codo DN600 ( peor caso posible ) - sin especificar (hay que confirmar las características de las lámparas) - 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) Dosis UV RED = 40 mj/cm² RED según el nivel de reducción logarítmica Puntos de operación Fijos Variables Interpolación No permitidas Interpolación permitida extrapolación Aplicación Comparación de rendimiento Herramientas de operación para distintos reactores entre distintos reactores Tipo de desinfección Desinfección general para todo Eliminación de giardia y criptosporidium tipo de aplicaciones Homologación de reactores Prueba experimental para determinar el caudal y la transmitancia UV para un reactor UV con una RED de 40 mj/cm² Prueba experimental para determinar las condiciones de operación en las que un reactor UV suministra la dosis necesaria para neutralizar criptosporidium, giardia y virus Microorganismo de prueba Bacillus subtilis 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 USEPA (2006). Directrices para desinfección ultravioleta y tratamiento a largo plazo de aguas superficiales (LT2ESWTR). EPA815-R Trojan Technologies España S.L., T , Copyright Trojan Technologies, London, Ontario, Canadá. Ninguna parte de esta publicación puede ser reproducida, almacenada en un sistema de archivos o transmitida de ninguna forma o por ningún medio sin permiso escrito de Trojan Technologies. CS003 E (0112) 8