El tratamiento del agua mediante radiación UV

Introducción

Desde principios del siglo XX , se sabe que la radiación UV es capaz de eliminar numerosas formas de vida como bacterias, levaduras, virus, amebas, algunos parásitos... Sin embargo, en aquella época, los métodos para aprovechar el poder esterilizador de los UV eran demasiado costosos para generalizar su uso. Unas décadas más tarde, un físico llamado Ashok Gadgil volvió a estudiar el tratamiento del agua contaminada mediante irradiación UV. Sus trabajos estuvieron impulsados por el deseo de crear un procedimiento de esterilización del agua de bajo coste para responder a las necesidades de los países más desfavorecidos. La epidemia de cólera denominada «de Bengala» de 1993, que diezmó el norte de la India, fue el desencadenante de este interés.

Los objetivos del profesor Gadgil eran los siguientes :

- Un coste bajo : una inversión inferior a 2 dólares por usuario y año (para un pueblo de 2000 habitantes).

- Un mantenimiento sencillo : por tanto, la lámpara no debía estar sumergida, sino suspendida sobre el agua sin perder radiación para limitar el consumo eléctrico.

- Un caudal suficientemente elevado para poder abastecer a un pueblo, es decir, alcanzar 15 litros de agua tratada por minuto.

La primera tecnología «UVW», siglas de «UltraViolet Waterworks», vio la luz en 1996.

Este logro científico y sus nobles intenciones le valieron numerosos premios, como el Health Award en 2004, o incluso su inclusión en el Museo de Ciencia e Industria de Chicago, entre los artistas y científicos que encarnan «el espíritu y la creatividad de Leonardo da Vinci».

Ashok Gadgil, Premio al Inventor Europeo, el 19 de mayo de 2011

Una mirada a los rayos ultravioleta

La radiación ultravioleta o UV es invisible para el ojo humano. En el espectro electromagnético, sus longitudes de onda se sitúan entre 10 y 400 nanómetros (donde 10nm representa el límite con los rayos X y 400 nm el límite con el espectro visible a simple vista).

Según la longitud de onda, los rayos ultravioleta tienen una aplicación diferente:

- Para estimular la pigmentación de la piel (producción de melanina), se utilizan los «UV-A». En el espectro electromagnético, los rayos UV-A se sitúan entre 315 y 400 nm.

- Los «UV-B», cuyas longitudes de onda se sitúan entre 285 y 315 nm, se utilizan principalmente en los procesos de enriquecimiento vitamínico de los alimentos.

- Situados entre 200 y 280 nm , los «UV-C» tienen actividad germicida (bacterias, virus, protozoos, etc.). El pico de actividad germicida se sitúa entre 254 y 260 nm.

Curva de inactivación de microorganismos mediante tratamiento UV

Esta actividad se utiliza hoy ampliamente en los procesos de esterilización, tanto en la industria farmacéutica como en la agroalimentaria o, simplemente, en el tratamiento del agua. En Alemania y Austria, la desinfección del agua mediante UV ya está muy extendida, mientras que en Francia le cuesta consolidarse.

El mecanismo de acción de los UV-C

Los UV-C afectan al material genético de los distintos microorganismos contenidos en el agua. Su ADN y ARN absorben la fluencia (por lo que incluso los virus de ARN se ven directamente afectados). El espectro de absorción de los nucleótidos se sitúa entre 210 y 310 nm, con un pico de absorción en torno a 260 nm. Esto afecta a las bases púricas (adenina y guanina) y a las bases pirimidínicas (uracilo, timina y citosina).

En función de la exposición a los UV-C, el código genético del organismo objetivo sufrirá distorsiones de formas variables. Lo más frecuente es que los fotoproductos sean dímeros de pirimidinas. Esta modificación del código genético privará al organismo objetivo de la capacidad de reproducirse e incluso provocará directamente su muerte. Los fotoproductos más habituales son los dímeros de timina (T-T). La dimerización del uracilo es más difícil de desencadenar, lo que explica por qué los virus de ARN son más resistentes.

Una de las ventajas del tratamiento del agua mediante un reactor con lámpara UV es que los UV no modificarán la matriz fisicoquímica del agua, mientras que los agentes de desinfección química (ozono, cloro, lejía, dióxido de cloro) generarán subproductos a veces tóxicos. Así, la calidad del agua sigue siendo la misma que antes del tratamiento, pero sin los organismos indeseables. El proceso es, por tanto, ecológico y económico.

El material necesario para la potabilización del agua

El primer elemento es la lámpara UV, de la que existen distintos tipos en función de las aplicaciones. Para la potabilización del agua, deben reunirse varias condiciones. La primera es que el agua debe estar limpia. De hecho, los estudios han demostrado que la presencia de hierro, compuestos fenólicos, sulfonatos, ácidos húmicos o colorantes interfiere con la radiación UV, reduciendo su eficacia.

El agua debe estar lo más libre posible de materia en suspensión, ya que los organismos pueden refugiarse fácilmente a su sombra y sobrevivir. La materia en suspensión y el residuo seco, es decir, el conjunto de sólidos disueltos totales (TDS), tendrán un impacto directo en la turbidez (cuantificación de la dispersión de la luz por una partícula sobre la que incide una radiación), por lo que es indispensable que el tratamiento de depuración del agua se realice previamente.

El segundo elemento es el balasto (transformador de la lámpara). Este debe proporcionar a la lámpara la tensión necesaria para producir una dosis suficiente de rayos UV.

Veamos un ejemplo: Para garantizar la potabilización del agua depurada, la lámpara debe suministrar 100 mWs/cm² (esta unidad mide la «dosis de radiación», que también puede expresarse en J/m²) en contacto con los elementos objetivo durante 10 a 20 segundos.

Para mantener la esterilización, los elementos más alejados de la fuente de radiación deben exponerse a una dosis de radiación mínima de 15mWs/cm².

Para calcular esta «dosis de UV» o «fluencia» se utiliza la ley de Beer-Lambert:

D (dosis de exposición) = P / S × exp(-KY)×T donde, «P» expresa la potencia de la lámpara en vatios, «S» la superficie emisora en m², «K» el coeficiente de absorción del líquido que se va a tratar en m-1, «Y» el espesor de la lámina de agua en m, y «T» el tiempo de exposición en s.

El último elemento es el reactor. Existen dos tipos: cerrado y no cerrado. Para eliminar los microorganismos, solo se utilizan reactores cerrados. Su objetivo es maximizar los efectos de la energía UV para proporcionar poder desinfectante a un coste menor.

Esquema de una lámpara UV industrial

En la práctica:

Como se ha explicado anteriormente en este artículo, las lámparas UV solo tienen verdadero interés si se utilizan con agua de la que se ha eliminado la mayor cantidad posible de partículas en suspensión, para alcanzar a todos los microorganismos. Por tanto, se instalan después de sistemas de filtración que ya han retirado las partículas sólidas en suspensión de mayor tamaño.

Para extraer estas partículas, se recomienda utilizar sistemas de ultrafiltración (solo para las partículas en suspensión) o de ósmosis inversa (también para las partículas disueltas) para realizar un primer tratamiento del agua.

Los microorganismos que hayan atravesado las membranas y/o se hayan desarrollado después de estas membranas serán destruidos por la lámpara UV. En la práctica, las lámparas UV se utilizan, por tanto, después de un sistema de ultrafiltración o de un depósito que contiene agua ya filtrada por ultrafiltración y/o ósmosis inversa. La empresa Oja Solutions ofrece soluciones de desinfección mediante lámpara UV adaptadas a las necesidades de particulares, profesionales e industriales.

La potencia de las lámparas se adapta a las necesidades de cada uno en función del caudal deseado. https://www.josmose.fr/osmoseur/accessoires-osmoseur/lampe-uv/lampe-uv-phillips-2-clips

Para limitar el consumo eléctrico de las lámparas UV, en este artículo se proponen consejos de instalación: https://www.josmose.fr/blog/123-une-astuce-pour-gerer-votre-lampe-uv-automatiquement

Dr. Clément Parmentier

Fuentes :

- https://www.wipo.int/ipadvantage/fr/details.jsp?id=2564

- http://www.lejournaldesfluides.com/actualite/le-traitement-de-leau-par-uv-une-methode-efficace-pour-eliminer-les-micro-organismes/

- https://www.emse.fr/~brodhag/TRAITEME/fich19_1.htm

- https://www.u-picardie.fr/beauchamp/duee/mignot.htm